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Abstract

本发明一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：取300-500g硝酸铜粉末和5-10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中，待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5-10g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。该方法的优点是获得的硝酸铜负极材料具有稳定的复合结构，这种复合结构使得硝酸铜负极材料具有高容量和长寿命的特性。

Description

一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池的硝酸铜复合负极材料，尤其是涉及一种利用离子液体混合液合成硝酸铜复合负极材料的制备方法。
背景技术
作为一种高性能的储能装置，锂离子电池在手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车等领域得到了广泛的应用。在组成锂离子电池的各个部件中，正负极材料是决定锂离子电池容量大小、使用寿命、生产价格等因素的关键物质。然而，自从20世纪90年代锂离子电池商业化以来，正极材料在不断地推陈出新，而负极材料一直采用石墨类材料，相比于正极材料容量的不断提升，负极材料的容量一直受限于石墨较低的理论容量（372 mAh/g），这也阻碍了锂离子电池能量密度的进一步提高，使得当前的锂离子电池不能充分满足用户的需求。
作为石墨负极的替代材料，过渡金属氧化物是当前高性能锂离子电池负极材料研究开发的热点之一。这是因为过渡金属氧化物负极材料具有理论质量比容量高的特点（800-1000 mAh/g），但是这类材料的实际可逆储锂容量要比理论容量低很多，如Co3O4负极材料循环50周之后的可逆质量比容量只有300-400 mAh/g，因而过渡金属氧化物负极材料不能很好满足社会对高容量、长寿命负极材料的需求。
相比之下，硝酸盐材料是一种理论质量比容量超高的负极材料，其采用硝酸根的可逆反应过程来存储能量，达到饱和嵌锂后，其理论质量比容量可达3000 mAh/g，这使得硝酸盐材料具有潜在较高的可逆容量、优异的化学及电化学稳定性，因此，硝酸盐基负极材料是一种非常有开发前景的锂离子电池负极材料。
现有商业化负极材料的制备方法，主要是利用碳源（如沥青）在2000℃以上高温下下进行长时间碳化获得人工石墨（中间相碳微球），因而，这样的合成工艺具有高能耗的缺陷，这是在追求原料廉价的同时导致了合成加工过程成本的上升，从而不能获得一种能满足当前社会需求的成本低廉、容量高和安全性好的负极材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用离子液体混合液来制备具有复合结构硝酸铜负极材料的方法，该合成方法利用离子液体的特性先构建一种硝酸铜和硝酸锂的复合材料，然后再与碳纳米管进行再次复合，从而获得一种结构稳定、致密的复合材料，所得到的硝酸铜复合负极材料的颗粒均一、粒径分布均匀、电子电导率高，从而有效改善硝酸铜负极材料的储锂性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种锂离子电池用硝酸铜复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：取300-500g硝酸铜粉末和5-10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中，待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5-10g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于。
（1）该方法制备的硝酸铜复合负极材料的颗粒粒径均一、结构稳定、致密。其中碳纳米管在复合材料中起到骨架支撑和导电作用，硝酸铜填充在碳纳米管的腔体内，硝酸锂完善了硝酸铜颗粒之间的空隙，同时硝酸锂可以弥补硝酸铜的不可逆容量，进而使得整个复合材料物质分散均匀、致密，保持了电极结构的稳定。
（2）同时，该方法还利用商品硝酸铜作为电极材料，并且合成工艺简便，使得这种复合材料其成本低廉、储锂容量较高、循环寿命好，能满足高容量锂离子电池实际应用的需要。
附图说明
图1为本发明实施例中所得硝酸铜复合负极材料的充放电曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1。
取300g硝酸铜粉末和5g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中（体积比为1:1），待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。将所得的产物作为研究电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2381mAh/g，充电容量为1616mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1547mAh/g，显示了优异的电化学性能。
实施例2。
取300g硝酸铜粉末和10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中（体积比为1:3），待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入10g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。将所得的产物作为研究电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2231mAh/g，充电容量为1789mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1555mAh/g，显示了优异的电化学性能。
实施例3。
取500g硝酸铜粉末和5g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中（体积比为1:2），待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。将所得的产物作为研究电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2484mAh/g，充电容量为2002mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1777mAh/g，显示了优异的电化学性能。
实施例4。
取500g硝酸铜粉末和10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中（体积比为1:4），待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入10g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。将所得的产物作为研究电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2365mAh/g，充电容量为1987mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1783mAh/g，显示了优异的电化学性能。
实施例5。
取300g硝酸铜粉末和10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中（体积比为1:5），待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。将所得的产物作为研究电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2187mAh/g，充电容量为1859mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1661mAh/g，显示了优异的电化学性能。

Claims (4)

1.一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：取300-500g硝酸铜粉末和5-10g硝酸锂，分散在300ml N-甲基咪唑和无水乙醇的混合溶液中，待完全溶解后，升温至60℃，然后加入100ml 2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓四氟硼酸盐，升温至80℃并保持高速搅拌10分钟后，再加入5-10g碳纳米管，继续高速搅拌180分钟后，进行减压抽滤，将过滤所得的产物放入烘箱在60℃下烘72小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即硝酸铜复合负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的N-甲基咪唑和无水乙醇的体积比为1:1~5。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的硝酸铜原料为含结晶水的Cu(NO3)2·3H2O。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硝酸铜复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的硝酸锂原料为无结晶水的LiNO3。
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