CN108365198A - 一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用 - Google Patents

一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。本发明以氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料作为锂离子电池负极的活性物质，由于其具有较高的锂离子传输速率，在充放电过程中具有更高的体积膨胀耐受性，实现了高容量、高循环稳定性，在100mA g‑1的电流条件下具有1100mA g‑1超高容量。

Description

一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离 子电池中的应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。
背景技术
传统石墨负极材料由于其具有良好的倍率性能、循环稳定性在当今商用锂离子电池中仍然被广泛使用。但随着生产生活的发展，人们对锂离子电池的要求逐渐向着高容量、高倍率性能、强循环稳定性方向发展，因此寻找高容量负极材料成为当今锂离子电池发展所要面对的主要问题。金属氧化物来源广泛、价格低廉应用在锂离子电池负极中也具有明显大于石墨负极的容量，但金属氧化物本体材料因其较大的尺寸而不能获得较好的容量性质和倍率性能限制了将其直接应用在锂离子电池负极中。
二维纳米材料与本体材料相比具有较低厚度，这使得二维纳米材料作为锂电池负极材料在电池充放电过程中能够缩短锂离子传输路径，并充分的与锂离子发生反应，从而提高了锂电池的容量和循环稳定性。因此设计制备二维金属氧化物纳米材料并将其应用在锂离子负极中极有可能获得高容量、高倍率、强循环稳定性的锂离子电池。
环境能源科学2014年第7卷632页报导了将氧化铁纳米片组装的空心球材料应用于锂离子电池负极的方法，这种纳米片组装的电极结构提升了锂离子传输速率，使锂电池的倍率性能和循环性能上都获得了极大的提升。但氧化铁纳米片组装的空心球材料制备过程繁锁，产率较低，不易于宏量制备和工业化发展。
随着金属氧化物纳米材料制备技术的进一步发展，如何开发出更多的基于金属氧化物的锂离子电池负极纳米复合材料，以及如何更好的优化电池性质、电极制备过程，使其实现大批量生产化，已成为业内普遍关注的焦点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用，本发明采用氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料制备锂离子电池，组装的电池循环稳定性好，倍率性能优异，有利于工业化实现。
本发明提供了一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。
优选的，所述锂离子电池的制备方法为：
A)将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
B)将所述浆料涂布在铜箔上，经干燥、切割，得到负极；
C)将所述负极、正极以及电解液进行组装，静置，得到锂离子电池。
优选的，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自I B族金属元素、II B族金属元素、IV B族金属元素、V B族金属元素、VI B族金属元素、VII B族金属元素和VIII族金属元素中的一种或多种。
优选的，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自铁、钒、钛、锰、铌、钴、镍和锌中的一种或多种。
优选的，所述氧化铜纳米片的长度为50～1000nm，宽度为50～1000nm，厚度为4～15nm；所述金属氧化物超薄纳米片的长度为10～500nm，宽度为10～500nm，厚度为0.5～5nm。
优选的，所述金属氧化物超薄纳米片材料金属元素占所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的摩尔比为15％～35％。
优选的，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的制备方法为：
以氧化铜纳米片为基底，金属氧化物在所述氧化铜纳米片表面原位生长，得到氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料。
优选的，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、氟化橡胶和聚氨酯中的一种或多种；
所述导电剂选自导电炭黑350G、导电石墨KS6、导电石墨SFG6、碳纳米管、SP-Li、科琴黑和乙炔黑中的一种或多种；
所用溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮中的一种；
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在所述负极浆料中所占的质量百分比为50％～90％；
所述粘结剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％；
所述导电剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％。
优选的，所述干燥的温度为60～120℃，所述干燥的时间为16～32小时；所述静置的时间为24～48小时；
步骤B)中，所述负极表面上所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的负载量为0.8～5mg/cm2；
步骤C)中，所述组装的过程中，制备所述正极的材料选自金属锂、钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂；所述电解液包括溶质、电解质和添加剂，所述溶质选自EC、DEC、DMC和PC中的一种或多种，所述电解质选自LiAsF6、LiPF6、LiClO4、LiBF6或(LiN(CF3SO2)2；所述添加剂选自CHB、DTD、PS或VC。
优选的，步骤A)为：
将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、掺杂组分、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
所述掺杂组分选自石墨、人工石墨、天然石墨或中间相碳微球；
所述掺杂组分在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％。
与现有技术相比，本发明提供了一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。本发明以氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料作为锂离子电池负极的活性物质，由于其具有较高的锂离子传输速率，在充放电过程中具有更高的体积膨胀耐受性，实现了高容量、高循环稳定性，在100mA g-1的电流条件下具有1100mA g-1超高容量。
附图说明
图1为氧化铜纳米片材料锂离子电池活性物质扫描电镜照片；
图2为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池活性物质透射电镜照片；
图3(a)为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池活性物质扫描电镜照片；
图3(b)为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池活性物质扫描电镜照片；
图3(c)为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池活性物质扫描电镜照片；
图4为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性；
图5为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池容量-电压曲线；
图6为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性；
图7为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性；
图8为氧化铜纳米片材料锂离子电池循环稳定性图；
图9为氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池活性物质透射电镜照片；
图10为氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池循环稳定性图；
图11为氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池循环稳定性图。
具体实施方式
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或金属氧化物复合材料领域常规的纯度即可。
本发明提供了一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。
在本发明中，所述锂离子电池的制备方法为：
A)将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
B)将所述浆料涂布在铜箔上，经干燥、切割、组装和静置，得到锂离子电池。
本发明首先将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料。
其中，本发明以氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料作为锂离子电池负极的活性物质。
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的制备方法为：
以氧化铜纳米片为基底，金属氧化物在所述氧化铜纳米片表面原位生长，得到氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料。
具体的，本发明提供的氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将可溶性金属源、氧化铜纳米片和水混合形成反应溶液，静置后再进行水热反应后，得到金属氧化物纳米片。
本发明对所述静置的条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的静置的条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述静置的时间优选为1～48h，更优选为5～45h，更优选为10～40h，最优选为20～30h。
本发明对所述水热反应的条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的水热反应的条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述水热反应的温度优选为100～200℃，更优选为120～180℃，更优选为130～170℃，最优选为140～160℃；所述水热反应的时间优选为1～10h，更优选为2～9h，更优选为3～8h，最优选为4～7h。
本发明对所述制备的金属氧化物纳米片的参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述金属氧化物纳米片优选为超薄金属氧化物纳米片，所述金属氧化物超薄纳米片的长度为10～500nm，优选为50～400nm，更优选为100～300nm，宽度为10～500nm，优选为50～400nm，更优选为100～300nm，厚度为0.5～5nm，优选为0.8～3nm，更优选为1.0～2.0nm。
本发明对步骤A)的具体操作没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为避免部分可溶性金属源在反应过程中，反应溶液中出现溶氧现象，影响后续产品的制备和形貌，所述步骤A)可以在无氧条件下进行，也可以先将可溶性金属源与水混合，再加入氧化铜纳米片形成反应溶液。进一步的，本发明为提高制备过程中，混合的均匀性和反应的均匀稳定性，所述氧化铜纳米片优选包括氧化铜纳米片分散液，从而更好的提高反应溶液的分散性。本发明对所述氧化铜纳米片分散液的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的氧化铜纳米片分散液的条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述氧化铜纳米片分散液的浓度优选为0.5～5mg/L，更优选为1.0～4.5mg/L，更优选为1.5～4.0mg/L，最优选为2.0～3.5mg/L。
此外，本发明为提高反应效率、产品纯度和可用性，所述水热反应后，优选还包括后处理步骤。本发明对所述后处理步骤的具体参数和操作没有特别限制，以本领域技术人员熟知的后处理步骤的具体参数和操作即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述后处理包括过滤收集、洗涤和干燥中的一种或多种，更优选为依次包括过滤收集、洗涤和干燥中的一种或多种，最优选为依次包括过滤收集、洗涤和干燥。本发明对上述具体过程的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的过滤收集、洗涤和干燥的具体条件即可，本领域技术人员可以根据实际实验情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，所述洗涤优选为多次洗涤，更优选为水洗和有机溶剂洗涤，最优选为采用水洗和醇洗进行洗涤，具体可以为水洗1～3次，醇洗1～3次。所述干燥优选为室温干燥，更优选为室温干燥5～24h。
本发明对所述可溶性金属源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的可溶性金属盐即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述可溶性金属源优选为可溶性金属盐，更具体优选包括可溶性金属卤化物、可溶性金属硝酸盐、可溶性金属醋酸盐和可溶性金属硫酸盐中的一种或多种，更优选为可溶性金属卤化物、可溶性金属硝酸盐、可溶性金属醋酸盐或可溶性金属硫酸盐，最优选为可溶性金属氯化物或可溶性金属硝酸盐。本发明对所述本发明对所述可溶性金属源中的金属元素没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规金属元素即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述可溶性金属源中的金属元素选自I B族金属元素、II B族金属元素、IV B族金属元素、V B族金属元素、VI B族金属元素、VII B族金属元素和VIII族金属元素中的一种或多种；优选为铁、钒、钛、锰、铌、钴、镍和锌中的一种或多种，更优选的，所述金属元素选自铁。
本发明对所述可溶性金属源的用量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述反应溶液中所述可溶性金属源的浓度优选为0.01～0.2mol/L，更优选为0.03～0.18mol/L，更优选为0.05～0.15mol/L，最优选为0.08～0.12mol/L。
本发明对所述氧化铜纳米片没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的氧化铜纳米片即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述氧化铜纳米片的长度为50～1000nm，优选为100～800nm，更优选为300～500nm，宽度为50～1000nm，优选为100～800nm，更优选为300～500nm，厚度为4～15nm，优选为5～12nm，更优选为7～10nm。本发明对所述氧化铜纳米片的用量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述可溶性金属源与所述氧化铜纳米片的摩尔比优选为(0.1～5)：1，更优选为(0.5～4.5)：1，更优选为(1～4)：1，最优选为(2～3)：1。
本发明对所述氧化铜纳米片的来源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的氧化铜纳米片的制备方法制备或市售购买即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述氧化铜纳米片优选由以下步骤制备：
1)将强酸弱碱性铜盐、表面活性剂和水混合，加入氨水再混合后，得到配合物溶液；
2)向上述步骤得到的配合物溶液中加入强碱继续混合，得到氧化铜纳米片。
本发明首先将强酸弱碱性铜盐、表面活性剂和水混合，加入氨水再混合后，得到配合物溶液。
本发明对所述强酸弱碱性铜盐没有特别限制，以本领域技术人员熟知的铜的强酸弱碱盐即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述强酸弱碱性铜盐优选包括硫酸铜、氯化铜和硝酸铜中的一种或多种，更优选为包括硫酸铜、氯化铜或硝酸铜，最优选为氯化铜。
本发明对所述表面活性剂没有特别限制，以本领域技术人员熟知的表面活性剂即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种，更优选为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇或十六烷基三甲基溴化铵，最优选为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇。本发明对所述表面活性剂的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的表面活性剂常规加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述强酸弱碱性铜盐与表面活性剂的摩尔比优选为(0.001～20)：1，更优选为(0.01～15)：1，更优选为(0.1～10)：1，最优选为(1～5)：1。
本发明对所述氨水的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的类似反应中氨水的常规加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述氨水与所述强酸弱碱性铜盐的摩尔比优选为(0.1～10)：1，更优选为(0.5～8)：1，更优选为(1～5)：1，最优选为(2～4)：1。
本发明对所述再混合的方式和条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规混合方式和条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述再混合的方式优选为搅拌混合；所述再混合的时间优选为5min～12h，更优选为30min～6h，最优选为1～4h。
本发明随后向上述步骤得到的配合物溶液中加入强碱继续混合，得到氧化铜纳米片。
本发明对所述强碱没有特别限制，以本领域技术人员熟知的强碱即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述强碱优选包括氢氧化钠和/或氢氧化钾，更优选为氢氧化钠或氢氧化钾，最优选为氢氧化钠。本发明对所述强碱的加入量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的强碱的常规加入量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述强碱与所述强酸弱碱性铜盐的摩尔比优选为(1～10)：1，更优选为(2～9)：1，更优选为(3～8)：1，最优选为(4～7)：1。
本发明对所述继续混合的方式和条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规混合方式和条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述继续混合的方式优选为搅拌混合；所述继续混合的时间优选为12～120h，更优选为30～100h，最优选为50～80h。
本发明为提高反应效率、氧化铜纳米片的纯度和可用性，所述得到氧化铜纳米片后，优选还包括后处理步骤。本发明对所述后处理步骤的具体参数和操作没有特别限制，以本领域技术人员熟知的后处理步骤的具体参数和操作即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述后处理包括过滤收集、洗涤、超声和干燥中的一种或多种，更优选为依次包括过滤收集、洗涤和超声中的一种或多种，最优选为依次包括过滤收集、洗涤和超声。本发明对上述具体过程的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的过滤收集、洗涤和超声的具体条件即可，本领域技术人员可以根据实际实验情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，所述洗涤优选为多次洗涤，更优选为水洗，具体可以为水洗1～5次，或者为2～4次。所述超声的时间优选为1～30min，更优选为5～25min，最优选为10～20min。本发明为提高氧化铜纳米片可用性，上述后处理步骤后得到氧化铜纳米片，还可以分散在水中，形成氧化铜纳米片分散液。
本发明经过上述步骤制备得到了金属氧化物纳米片，本发明以二维氧化铜纳米片为模板材料采用外延生长法得到超薄金属氧化物纳米片。通过调节氧化铜表面的表面活性剂的含量和可溶性金属源在反应液中的浓度，从而调节得到表面平整，尺寸均一，生长在氧化铜纳米片的表面的超薄金属氧化物纳米片，即通过改变不同可溶性金属源的摩尔比来改变材料的性能。本发明上述制备方法无需复杂设备，实验操作简单，重复性好，模板材料容易获得，原材料来源广泛，有利于展开大规模的制备。
优选的，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自I B族金属元素、II B族金属元素、IV B族金属元素、V B族金属元素、VI B族金属元素、VII B族金属元素和VIII族金属元素中的一种或多种；
更优选的，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自铁、钒、钛、锰、铌、钴、镍和锌中的一种或多种，最优选的，所述金属元素选自铁。
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物超薄纳米片材料金属元素占所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的摩尔比为15％～35％，优选为20％～30％。
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料具有高度形貌均一性，应用在锂离子电池负极材料具有高容量、强循环稳定性及优异的倍率性能。
将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料。
其中，粘结剂选自聚乙烯醇(PVA)、聚四氟乙烯(PTFE)、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化橡胶、聚氨酯等中的一种或多种，更优选为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚偏氟乙烯(PVDF)。；
所述导电剂选自导电炭黑350G、导电石墨KS6、导电石墨SFG6、碳纳米管、SP-Li、科琴黑和乙炔黑中的一种或多种，更优选为SP-Li、碳纳米管。
所用溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮中的一种；
本发明对所述粘结剂、导电剂以及溶剂的来源并没有特殊限制，一般市售即可。
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在所述负极浆料中所占的质量百分比为50％～90％，优选为60％～80％，更优选为65％～75％；
所述粘结剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％，优选为10％～15％；
所述导电剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％，优选为10％～15％。
在本发明中，所述浆料中还可以包括掺杂组分，则步骤A)具体为：
将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、掺杂组分、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
所述掺杂组分选自石墨、人工石墨、天然石墨或中间相碳微球。
所述掺杂组分在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％，优选为10％～15％。
得到浆料后，将所述浆料涂布在铜箔上，经干燥、切割，得到负极。
所述干燥的温度为60～120℃，优选为70～90℃；所述干燥的时间为16～32小时，优选为16～24小时；所述静置的时间为24～48小时，优选为24～36小时；
步骤B)中，所述负极表面上所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的负载量为0.8～5mg/cm2，优选为1.0～2mg/cm2，更优选为1.2～1.8mg/cm2；
将所述负极、正极以及电解液进行组装，静置，得到锂离子电池。
所述组装的过程中，制备所述正极的材料选自金属锂、钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂；所述电解液包括溶质、电解质和添加剂，所述溶质选自EC、DEC、DMC和PC中的一种或多种，更优选为EC、DEC、DMC、PC组分组成的三元电解液，所述电解质选自LiAsF6、LiPF6、LiClO4、LiBF6或(LiN(CF3SO2)2，更优选为LiPF6、LiClO4；所述添加剂选自CHB、DTD、PS或VC，更优选为PS、VC。
本发明以氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料作为锂离子电池负极的活性物质，由于其具有较高的锂离子传输速率，在充放电过程中具有更高的体积膨胀耐受性，实现了高容量、高循环稳定性，在100mA g-1的电流条件下具有1100mA g-1超高容量。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1、氧化铜纳米片的合成
称取3.0g五水硫酸铜和0.6g聚乙烯吡咯烷酮溶于300mL水中，将0.93mL氨水(质量分数25％～28％)用水稀释到90mL，待硫酸铜和聚乙烯吡咯烷酮溶解后，将稀释后的氨水与其混合，搅拌15min后，将2.4g氢氧化钠溶于10mL水中形成氢氧化钠溶液，将该氢氧化钠溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，之后将反应液连续搅拌3天，离心水洗一次待用，得到氧化铜纳米片，其尺寸为长800～1000nm，宽度为800～1000nm，厚度为8～14nm；
参见图1，图1为氧化铜纳米片材料锂离子电池活性物质扫描电镜照片；
2、氧化铜纳米片诱导制备超薄Fe2O3纳米片
将浓度为1mg/mL氧化铜纳米片水溶液30mL超声20min，与浓度为0.024mol/L的氯化亚铁溶液5mL混合(在氯化亚铁加入到水中溶解或与氧化铜溶液混合前都要先通20minN2)，转入50mL聚四氟乙烯内衬，搅拌均匀后静置24h。将这密闭反应容器于170℃反应2小时，取出自然冷却后水洗1次，乙醇洗两次，室温干燥24h。
参见图2，图2为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的透射电镜照片；
参见图3(a)、图3(b)和图3(c)，图3(a)、图3(b)和图3(c)为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的扫描电镜照片。
由图2、图3(a)、图3(b)和图3(c)可知，实施例1制备的氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的尺寸为长度300～500nm，宽度300～500nm，厚度约为0.53nm。
实施例2
1、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料制备
称取8mg海藻酸钠，8mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取24mg实施例1制备的氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料。
2、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片。
3、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
4、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图4，图4为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性电流密度100mAg-1
参见图5，图5为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池容量-电压曲线
由图5可知该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料具有大于1000mAh g-1的理论容量，且循环稳定性优异。
实施例3
1、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料制备
称取4.5mg海藻酸钠，4.5mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取21mg实施例1制备的氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料。
2、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片。
3、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
4、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图6，图6为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性，电流密度100mAg-1
由图6可知该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料具有较大的锂离子电池容量，且循环稳定性优异。
与实例2相比减少了电池浆料中导电剂和粘结剂的比例，使得该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的锂离子电池比容量降低，这说明该材料的导电性对其锂离子电池容量具有较大影响。
实施例4
1、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料制备
称取3mg海藻酸钠，3mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取24mg实施例1制备的氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池浆料。
2、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池负极极片。
3、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
4、氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图7，图7为氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料锂离子电池循环稳定性，电流密度100mAg-1
由图7可知该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料仍具有大于石墨的容量，且循环稳定性优异。
与实例2、3相比继续减少了电池浆料中导电剂和粘结剂的比例，使得该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的锂离子电池比容量继续降低，这进一步的说明该材料的导电性是限制其锂离子电池容量的主要原因。
实施例5
1、氧化铜纳米片材料锂离子电池浆料制备
称取3mg海藻酸钠，3mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取24mg实施例1步骤1制备的氧化铜纳米片材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片材料锂离子电池浆料。
2、氧化铜纳米片材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片材料锂离子电池负极极片。
3、氧化铜纳米片材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
4、氧化铜纳米片材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图8，图8为氧化铜纳米片材料锂离子电池循环稳定性图，电流密度为100mAg-1
由图8可知该氧化铜纳米片材料与氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料相比明显具有较低容量，这是由于和氧化铜相比氧化铁具有更高的比容量，缺少了氧化铁导致该材料较氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料比容量偏低。
实施例6
1、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料的制备
称取100mg氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料(即将实施例1制备的复合材料刻蚀掉氧化铜纳米片得到的氧化铁超薄片材料，参见图9，图9为)于50mL烧杯中，加入稀氨水50mL(氨水：去离子水比例为3:7)搅拌8h，离心弃去上清液，再加入上述稀氨水并重复此步骤，直到上清液为淡黄色，离心收集下层沉淀物并分别用去离子水和乙醇洗涤一次后，于60℃真空干燥12h得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料
2、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池浆料制备
称取3mg海藻酸钠，3mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取24mg氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料锂离子电池浆料。
3、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料锂离子电池负极极片。
4、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
5、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片复合材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图9，图9为氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池活性物质透射电镜照片
参见图10，图10为氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料锂离子电池循环稳定性图，电流密度为100mAg-1
由图10可知该氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料具有较高的初始比容量，然而其后期衰减极为明显，这说明单独存在的氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料应用在锂离子电池中经过多次充放电过后其结构发生明显的退化，其性能远远不及氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料
实施例7
1、氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料的制备
称取100mg氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料于50mL烧杯中，加入稀氨水50mL(氨水：去离子水比例为3:7)搅拌8h，离心弃去上清液，再加入上述稀氨水并重复此步骤，直到上清液为淡黄色，离心收集下层沉淀物并分别用去离子水和乙醇洗涤一次后，于60℃真空干燥12h得到氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料
2、氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池浆料制备
称取3mg海藻酸钠，3mg碳纳米管于研钵中，加入800μL水，充分研磨均匀，称取18mg氧化铜纳米片，6mg氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片材料，加入上述研磨充分的粘结剂、导电剂混合物中，继续研磨至无明显小颗粒后，再研磨5min，得到氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池浆料。
3、氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池负极极片片制备
裁取合适大小的铜箔置于刮刀式涂布机上，并在铜箔上滴上少量乙醇，用脱脂棉将铜箔抚平；待铜箔上乙醇挥发完全后，将上述步骤1中所得电池浆料转移至铜箔一端，同时放好刮刀；设置涂布速度为8cm s-1，启动刮刀式涂布机，涂布结束后将铜箔转移至70℃烘箱烘干，24h后取出，切割，得到氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池负极极片。
4、氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池组装
选用CR2032电池壳，依次按照负极壳、弹片、垫片、锂片的顺序从下至上组装，然后在锂片上滴加适量电解液，放上隔膜，再次滴加适量电解液，再依次放上负极极片、垫片、正极壳；经压缩排气后静置24h。
5、氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池测试
采用蓝电池用作系统对氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片材料锂离子电池进行测试，测试过程为恒流充放电测试，电流密度为100mAg-1
参见图11，图11为氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料锂离子电池循环稳定性图，电流密度为100mAg-1
由图11可知该氧化铜纳米片与氧化铜纳米片诱导的氧化铁超薄片物理复合材料的锂离子电池容量约为900mAhg-1高于单一组分的氧化铜纳米片或氧化铜诱导的氧化铁超薄片材料的锂离子电池容量，但是其锂离子电池容量略低于氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料的锂离子电池容量，这说明原位生长复合的方法使氧化铁超薄片在体系中分布更加均匀，从而更能发挥出氧化铜和氧化铁材料的协同作用。
以上对本发明提供的一种氧化铜纳米片诱导氧化铁超薄片复合材料在锂离子电池负极领域应用的详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在锂离子电池中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述锂离子电池的制备方法为：
A)将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
B)将所述浆料涂布在铜箔上，经干燥、切割，得到负极；
C)将所述负极、正极以及电解液进行组装，静置，得到锂离子电池。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自IB族金属元素、IIB族金属元素、IV B族金属元素、V B族金属元素、VIB族金属元素、VIIB族金属元素和VIII族金属元素中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料中金属氧化物的金属元素选自铁、钒、钛、锰、铌、钴、镍和锌中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氧化铜纳米片的长度为50～1000nm，宽度为50～1000nm，厚度为4～15nm；所述金属氧化物超薄纳米片的长度为10～500nm，宽度为10～500nm，厚度为0.5～5nm。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述金属氧化物超薄纳米片材料金属元素占所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的摩尔比为15％～35％。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的制备方法为：
以氧化铜纳米片为基底，金属氧化物在所述氧化铜纳米片表面原位生长，得到氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料。
8.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、氟化橡胶和聚氨酯中的一种或多种；
所述导电剂选自导电炭黑350G、导电石墨KS6、导电石墨SFG6、碳纳米管、SP-Li、科琴黑和乙炔黑中的一种或多种；
所用溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮中的一种；
所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料在所述负极浆料中所占的质量百分比为50％～90％；
所述粘结剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％；
所述导电剂在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％。
9.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述干燥的温度为60～120℃，所述干燥的时间为16～32小时；所述静置的时间为24～48小时；
步骤B)中，所述负极表面上所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料的负载量为0.8～5mg/cm2；
步骤C)中，所述组装的过程中，制备所述正极的材料选自金属锂、钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂；所述电解液包括溶质、电解质和添加剂，所述溶质选自EC、DEC、DMC和PC中的一种或多种，所述电解质选自LiAsF6、LiPF6、LiClO4、LiBF6或(LiN(CF3SO2)2；所述添加剂选自CHB、DTD、PS或VC。
10.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤A)为：
将所述氧化铜纳米片/金属氧化物超薄纳米片复合材料、掺杂组分、导电剂、粘结剂和溶剂经混合分散得到负极浆料；
所述掺杂组分选自石墨、人工石墨、天然石墨或中间相碳微球；
所述掺杂组分在所述负极浆料中所占的质量百分比为5％～20％。
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