CN102602978A - 锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法 - Google Patents

锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，它涉及一种锂离子电池阳极材料的制备方法。本发明解决了现有锂离子电池负极材料CuO的循环性能和倍率性能差的技术问题。本方法如下：一、制备Cu(OH)2阵列；二、将Cu(OH)2阵列置于惰性气氛中，保温后再自然冷却到室温，即得。本发明制备的CuO微/纳米阵列电极的每一个CuO纳米阵列与集流体基底相连，具有良好的导电性和电荷传输能力，有利于增大电极/电解液的接触面积，缩短锂离子的扩散路径，缓解充放电时电极材料的体积变化与应力作用，表现出良好的电化学性能，从而提高循环性能和倍率性能。

Description

锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术和能源领域，特别涉及一种锂离子电池阳极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池已在移动电子设备，电动汽车，备用储能，智能电网等领域逐渐应用，但是，仍然难以满足电动工具，电动汽车(EVs)，混合电动车(PHEVs)对电池的功率密度，能量密度的要求。近年来，通过氧化还原反应机制实现脱嵌锂的3d过渡金属氧化物(CoO、CuO、NiO等)在锂离子电池负极材料中表现出很高的充放电容量，其中CuO的理论放电容量674mAh/g，具有良好的应用前景。然而这种过渡金属氧化物的导电性差，充放电时材料容易粉化脱落，导致循环性能、倍率性能差。锂离子电池一维(onedimensional 1D)纳米阵列电极中的每一个1D纳米阵列直接与集流体基底相连，具有良好的导电性和电荷传输能力，有利于锂离子的扩散，能缓解充放电时材料的应力作用与体积变化，充分发挥材料的结构优势与活性物质的容量，可以明显的改善-极材料的电化学性能(Nature Nanotechnology，2008，3，31)。目前，已有采用低温溶液相生长法在铜箔集流体基底上直接生长1D CuO纳米阵列(Electrochim.Acta，2009，54，5825)的报道，但是，前躯体溶液复杂，产物的一致性和重现性较差，难于批量生产。
发明内容
本发明解决了现有锂离子电池负极材料CuO的循环性能和倍率性能差的技术问题，提供了一种锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法。
本发明锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将铜箔覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列；
二、将Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO微/纳米齿轮阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将紫铜带覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2纳米片阵列；
二、将Cu(OH)2纳米片阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米片阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
Cu(OH)2微/纳米齿轮、Cu(OH)2纳米片阵列的制备是由金属铜与氨水(NH3·H2O)的蒸汽发生络合反应而成，反应方程式如下：
Cu+O2+NH3→Cu[NH3]n 2+                                          (1)
Cu[NH3]n 2++OH-→Cu(OH)2                                        (2)
锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、以紫铜带为阳极，NaOH溶液或KOH溶液为电解液，不锈钢为阴极，饱和氯化亚汞电极为参比电极，在室温下，向电解槽内通入惰性气体30min去除O2，然后在电流密度为2mA/cm2～3mA/cm2的条件下电氧化10min～30min，得到Cu(OH)2纳米线阵列；
二、将Cu(OH)2纳米线阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米线阵列电极。。步骤一中所述的NaOH溶液或KOH溶液的浓度为1.5mol/L～4mol/L。步骤一中所述的惰性气体是N2或Ar2；步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。
Cu(OH)2纳米线阵列制备原理是在碱性溶液NaOH或KOH水溶液中电解金属铜，阴阳极发生的电极反应如下：
阳极：Cu+2e-→Cu2+，Cu2++2OH-→Cu(OH)2↓                       (3)
阴极：2H++2e-→H2↑                                            (4)
总反应：Cu+2H2O→Cu(OH)2↓+H2↑                                (5)
CuO微/纳米齿轮、纳米片和纳米线阵列电极的制备是将表面生长有Cu(OH)2阵列的铜基底置于惰性气氛中，热分解Cu(OH)2，其化学反应如下：
本发明所用的铜箔或紫铜带在反应之前进行预处理，预处理方法如下：将铜箔或紫铜带放入1mol/L的盐酸中浸泡1min～5min去除铜表面的氧化物，然后用蒸馏水清洗，之后用乙醇清洗，干燥后备用。
本发明的锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法合成温度低，无模板，制备程序简单，CuO微/纳米齿轮阵列、CuO纳米片阵列和CuO纳米线阵列的形貌结构可控，具有良好的均一性，具有工业生产的美好前景。本发明制备的CuO微/纳米阵列电极的每一个CuO纳米阵列与集流体基底相连，具有良好的导电性和电荷传输能力，有利于增大电极/电解液的接触面积，缩短锂离子的扩散路径，缓解充放电时电极材料的体积变化与应力作用，表现出良好的电化学性能，从而提高循环性能和倍率性能。
附图说明
图1是具体实施方式十中实验一所得CuO微/纳米齿轮阵列电极顶端的扫面电镜照片；图2是具体实施方式十中实验一所得CuO微/纳米齿轮阵列电极侧面的扫面电镜照片；
图3是具体实施方式十中实验一所得CuO微/纳米齿轮阵列电极单个齿轮的扫面电镜照片；图4是具体实施方式十中实验二所得CuO纳米片阵列电极顶端的扫面电镜照片；图5是具体实施方式十中实验二所得CuO纳米片阵列电极侧面的扫面电镜照片；图6是具体实施方式十中实验二所得CuO纳米片阵列电极放大的扫面电镜照片；图7是具体实施方式十中实验三所得CuO纳米线阵列电极顶端的扫面电镜照片；图8是具体实施方式十中实验三所得CuO纳米线阵列电极侧面的扫面电镜照片；图9是具体实施方式十中实验三所得CuO纳米线阵列电极放大的扫面电镜照片；图10是具体实施方式十中实验一所得CuO微/纳米齿轮阵列电极在1C倍率下的循环曲线图；图11是具体实施方式十中实验二所得CuO纳米片阵列电极在1C倍率下的循环曲线图；图12是具体实施方式十中实验三所得CuO纳米线阵列电极在0.5C倍率下的循环曲线图；图13是具体实施方式十中所得CuO微/纳米齿轮阵列电极、CuO纳米片阵列电极和CuO纳米线阵列电极的X射线衍射图谱，图中a表示CuO纳米线阵列电极的X射线衍射图谱，b表示CuO纳米片阵列电极的X射线衍射图谱，c表示CuO微/纳米齿轮阵列电极的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将铜箔覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列；
二、将Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO微/纳米齿轮阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
本实施方式中所用的铜箔由建滔铜箔集团有限公司生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的浓氨水的质量浓度为25％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将紫铜带覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2纳米片阵列；
二、将Cu(OH)2纳米片阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米片阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是所述的浓氨水的质量浓度为25％。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、以紫铜带为阳极，NaOH溶液或KOH溶液为电解液，不锈钢为阴极，饱和氯化亚汞电极为参比电极，在室温下，向电解槽内通入惰性气体30min去除O2，然后在电流密度为2mA/cm2～3mA/cm2的条件下电氧化10min～30min，得到Cu(OH)2纳米线阵列；
二、将Cu(OH)2纳米线阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米线电极。。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤一中所述的NaOH溶液或KOH溶液的浓度为1.5mol/L～4mol/L。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤一中所述的惰性气体是N2或Ar2。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。其它与具体实施方式七至九之一相同。
采用下述实验验证本发明的效果：
实验一：CuO微/纳米齿轮阵列电极的制备方法：
一、将5cm×5cm的铜箔直接用乙醇清洗3次，烘干备用；
二、将经过步骤一处理的5cm×5cm的铜箔覆盖在氨水溶液(氨水溶液由浓氨水与水按照1∶6的体积比组成)的上方2cm，然后在20℃的条件下生长2h，得到Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列，然后用乙醇清洗2次，吹干备用；
三、将Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列放入箱式密封炉内，通入N2，以3℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以3℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO微/纳米齿轮阵列电极。
由图1、图2和图3所示均一的CuO微/纳米齿轮阵列垂直生长在铜基底上，由许多纳米片(厚150nm，宽1.5μm)组成的齿轮的直径3μm，高度4μm。
实验二：CuO纳米片阵列电极的制备方法：
一、将5cm×5cm的紫铜带先用1mol/L的盐酸溶液浸泡5min去除铜表面的氧化物，然后用蒸馏水清洗5次，之后用乙醇清洗3次，干燥后备用；
二、将紫铜带覆盖在氨水溶液(氨水溶液由浓氨水与水按照1∶6的体积比组成)的上方2cm，然后在20℃的条件下生长3h，得到Cu(OH)2纳米片阵列，然后用乙醇清洗2次，吹干备用；
三、将Cu(OH)2纳米片阵列放入箱式密封炉内，通入N2，以3℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以3℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米片阵列电极。
由图4、图5和图6可以看出均一的CuO纳米片阵列垂直生长在铜基底上，纳米片厚150nm，宽400nm，长1.0μm。
实验三：CuO纳米线阵列电极的制备方法：
一、将5cm×5cm的紫铜带先用1mol/L的盐酸溶液浸泡5min去除铜表面的氧化物，然后用蒸馏水清洗5次，之后用乙醇清洗3次，干燥后备用；
二、以紫铜带为阳极，304不锈钢片为阴极，饱和氯化亚汞电极为参比电极，阳极与阴极间距约3cm，2mol/L的KOH溶液为电解液，在室温下，向电解槽内通入N230min去除O2，然后在电流密度为2.5mA/cm2的条件下电氧化15min，得到Cu(OH)2纳米线阵列，用蒸馏水清洗3次，烘干备用；
三、将Cu(OH)2纳米线阵列放入箱式密封炉内，通入N2，以3℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以3℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米线电极。
由图7、图8和图9可知均一的纳米线阵列垂直生长在铜基底上，纳米线直径100nm，长8.0μm。
将本实施方式制备的CuO微/纳米齿轮阵列电极、CuO纳米片阵列电极、CuO纳米线阵列电极剪成直径为14mm的小圆片直接用作锂离子电池的正极，以金属锂片用作负极，电解液由LiPF6、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯组成(电解液中LiPF6浓度为1mol/L，碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯的体积比为1∶1)，隔膜为Celgard2400微孔聚丙烯膜，在充满氩气的手套箱中装配成2025型扣式电池。
对2025型扣式电池进行充放电测试，图10为CuO微/纳米齿轮阵列的放电循环曲线图(1C＝674mA/g)，首次放电容量为842.4mAh/g，首次效率为64.3％，循环100次后容量为597.2mAh/g；图11为CuO纳米片阵列的放电循环曲线图(1C)，首次放电容量为886.8mAh/g，首次效率为58.3％，循环100次后容量为639.8mAh/g；图12为CuO纳米线阵列的放电循环曲线图(0.5C)，首次放电容量为879.2mAh/g，首次效率为73.8％，循环100次后容量为582.1mAh/g。

Claims (10)

1.锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将铜箔覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列；
二、将Cu(OH)2微/纳米齿轮阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO微/纳米齿轮阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
2.根据权利要求1所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于所述的浓氨水的质量浓度为25％。
3.根据权利要求1或2所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。
4.锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、将紫铜带覆盖在氨水溶液的上方1cm～3cm，然后在5℃～40℃的条件下生长2h～12h，得到Cu(OH)2纳米片阵列；
二、将Cu(OH)2纳米片阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米片阵列电极；步骤一中所述的氨水溶液由浓氨水与水按照1∶1～6的体积比组成。
5.根据权利要求4所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于所述的浓氨水的质量浓度为25％。
6.根据权利要求4或5所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。
7.锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法如下：
一、以紫铜带为阳极，NaOH溶液或KOH溶液为电解液，不锈钢为阴极，饱和氯化亚汞电极为参比电极，在室温下，向电解槽内通入惰性气体30min去除O2，然后在电流密度为2mA/cm2～3mA/cm2的条件下电氧化10min～30min，得到Cu(OH)2纳米线阵列；
二、将Cu(OH)2纳米线阵列置于惰性气氛中，以2℃/min～5℃/min的升温速率升到120℃，在120℃保温2h，然后以2℃/min～5℃/min的升温速率升到180℃，并且在180℃保温2h，再自然冷却到室温，即得CuO纳米线电极。
8.根据权利要求7所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的NaOH溶液或KOH溶液的浓度为1.5mol/L～4mol/L。
9.根据权利要求7所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于步骤一中所述的惰性气体是N2或Ar2。
10.根据权利要求7、8或9所述锂离子电池微/纳米CuO阵列电极的制备方法，其特征在于步骤二中所述的惰性气氛是N2气氛或Ar2气氛。
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