CN111129474A - 一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料及其制备方法,使用水热法制备粉末状CuO后,再通过添加硅源并球磨以在CuO表面复合SiOx,最后在高温炉中煅烧得到CuO@SiOx材料。其中CuO作为导电剂和框架,既起到支撑作用,减缓了硅氧化物的体积膨胀,同时提高了材料的电导率,增强了材料的电化学性能。以最佳条件制备出的材料在500 mA·g‑1的电流密度循环100圈后,容量仍能保持在900 mAh·g‑1。
Description
技术领域
本发明涉及电池制备技术领域,具体涉及一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是新一代的能源装置,具有能量密度大、功率密度高、循环稳定性好和绿色环保等优点,在新能源电动车中占据重要位置。随着新能源的不断发展,对锂离子电池的能量密度和循环稳定性都提出了更高的要求,而提升电池性能的关键手段是对电极材料进行复合改性,进而开发出具有更高比容量的锂离子电池材料。
目前,大规模商业化的负极材料主要是石墨类材料,这类材料的生产技术成熟,但是理论比容量低,因而限制了其在高能量密度电池中的应用。硅基负极材料是被重点研究的新一代锂离子电池负极材料,具有较好的应用前景,这主要得益于该类材料具有高的理论比容量(>4200 mAhg-1)、低的电位(<0.5V vs Li/Li+)和丰富的原料来源。但硅基材料也有其缺点,比如充放电过程中较大的体积膨胀/收缩效应会导致形成的SEI膜不断破裂和形成,消耗了电池中的电解质,而且降低了离子转移速度和电导率。
随着研究的进一步深入,发现一氧化硅也有着较高的理论比容量(大约1300mAh·g-1),而且硅氧化物在充放电过程中的体积膨胀效应比硅材料小,所以更加稳定,但其仍然存在着导电率低和体积膨胀问题。因此硅氧化物负极材料的性能仍需通过改性处理来进一步改进,一方面,可将材料纳米化,通过减少硅基材料的粒径来有效缩短Li+移动距离,并减缓体积效应,增加硅氧化物的容量和结构稳定性。另一方面,可与其它材料进行复合,复合的材料既可以作为缓冲基体减缓硅基材料的体积膨胀,同时可以形成导电网络,提升整个体系的导电性。现有技术中通过将硅氧化物和TiO2等进行复合改性后,发现TiO2对硅氧化物进行包覆时,可通过异原子掺杂进行界面电化学改性,提升体系的电导率,增强材料的循环稳定性。但是此类材料依然存在着循环稳定性不够,材料的导电性还较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足,提供一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料及其制备方法,通过引入CuO对硅氧化物进行复合,由于CuO的电导率更高,而且膨胀效应更小,可显著提高复合材料的电导率和循环稳定性。
本发明的技术方案为:一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,主要包括如下步骤:
1)将铜盐和聚合物加到水热釜中,进行水热处理;
2)对水热处理后的产物进行抽滤、洗涤、干燥,得到CuO粉末;
3)将处理后的CuO粉末、Si粉和有机添加剂进行混合,随后将混合物加入到水溶液中,再进行球磨制得CuO-SiOx复合前驱体;
4)对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5)将粉末在惰性气体保护下进行热处理,得到CuO-SiOx复合物。
步骤1中,铜盐包括氯化铜、四水合硫酸铜、碳酸铜和硝酸铜中一种或多种。
步骤1中,聚合物包括聚乙二醇、异丙醇、正丁醇、聚乙烯醇和聚吡咯烷酮中的一种或多种。
步骤1中,进行水热处理的温度为80-300℃,处理时间为1-36 h。
步骤2中,抽滤次数为1-5次,干燥温度为50-160℃、时间为1-10 h。
步骤3中,Si粉的粒径为10 nm~10 μm,CuO粉末和Si粉的质量比为1:1~20;有机添加剂包括葡萄糖、蔗糖、壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、柠檬酸中的一种或多种。
步骤3中,混合物与水的质量比为1:10~200,球磨的转速为300~800 rpm,时间为2~10 h,球料比为10~40:1。
步骤4中,喷雾干燥进口温度为160~300℃,出口温度为70~130℃,进料速度为1-10L/h。
步骤4中,热处理的温度为400~1000℃、时间为0.5~15 h、保护气体为氩气或氮气。
利用上述方法制备的CuO@SiOx复合锂电池负极材料具有高的导电性及循环性能。
本发明的有益效果是:
本发明公开一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料及其制备方法,步骤简单,可操作性强,利用CuO对SiOx进行掺杂,充分利用CuO的导电作用和框架结构,可以确保缓冲硅基材料的体积膨胀并有效提高导电性,这样制得的锂电池负极具有成本低、循环性能好等优点。
附图说明
图1为实施例1中制得的CuO-SiOx复合材料的充放电曲线图;
图2为实施例1中制得的CuO-SiOx复合材料的电池循环性能图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容,但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换,均属于本发明的范围。
实施例1、一种CuO-SiOx复合材料的制备
1. 将2 g四水合硫酸铜和0.1 g聚乙二醇10000加到100 mL水热釜中,并加入60 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为140℃,时间为6 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为80℃,时间为2h,得到CuO粉末;
3. 将1 g处理后的CuO粉末、1 g粒径为100 nm的硅粉和0.5 g葡萄糖进行混合,随后将混合物加入到50 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为500 rpm,时间为3 h,球料比为10:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为220℃,出口温度为100℃,进料速度为2 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为500℃、时间为8 h、保护气体为氮气,得到CuO-SiOx复合物。
将制备的CuO-SiOx复合材料用于组装扣式电池(2032型扣式电池)进行电化学性能测试。各组分的重量比为活性物质(CuO-SiOx复合材料):导电剂(乙炔黑):粘结剂(羧甲基纤维素钠)=80%:10%:10%,研磨均匀,涂覆在集流体(铜箔)上,110℃下真空干燥6 h,干燥后裁剪为直径为14 mm的圆片,以金属锂片作为对电极、1 mol/L的LiPF6为电解液(溶剂是由EC、DC和DEC按1:1:1的体积比混合而成的)、Celgard2300为隔膜,在充满氩气的手套箱中完成CR2032扣式电池的组装。在蓝电测试柜(CT2100A)上进行电化学性能测试,其中电压范围为0 .01~3V,电流密度为500 mAg-1。
图1为该实施例中制备的CuO-SiOx复合材料的充放电曲线图,从图中信息可知,首次放电比容量为1420 .5 mAh·g-1,首次充电比容量为1081 .6 mAh·g-1,电流密度为500mAh·g-1。容量的不可逆性是由于第一次充放电过程中材料表面SEI膜的形成以及Li和SiOx之间的化学反应。
图2为该实施例中制备的CuO-SiOx复合材料从第1次到第100次的循环曲线图;在500 mAh·g-1的电流密度下,电池初始放电比容量达到1420 .5 mAh·g-1,循环100次以后的放电比容量为900 mAh·g-1。
实施例2、一种CuO-SiOx复合材料的制备
1. 将2 g四水合硫酸铜和0.1 g聚乙二醇20000加到100 mL水热釜中,并加入60 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为140℃,时间为6 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为80℃,时间为2h,得到CuO粉末;
3. 将1 g处理后的CuO粉末、2 g粒径为100 nm的硅粉和0.5 g蔗糖进行混合,随后将混合物加入到50 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为400 rpm,时间为3 h,球料比为20:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为230℃,出口温度为110℃,进料速度为2 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为500℃、时间为5 h、保护气体为氮气,得到CuO-SiOx复合物。
实施例3、一种CuO-SiOx复合材料的制备:
1. 将3 g硝酸铜和0.2 g异丙醇加到100 mL水热釜中,并加入60 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为160℃,时间为6 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为80℃,时间为2h,得到CuO粉末;
3. 将2 g处理后的CuO粉末、5 g粒径为50 nm的硅粉和1g葡萄糖进行混合,随后将混合物加入到50 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为500 rpm,时间为3 h,球料比为20:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为220℃,出口温度为100℃,进料速度为3 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为600℃、时间为4 h、保护气体为氮气,得到CuO-SiOx复合物。
实施例4、一种CuO-SiOx复合材料的制备
1. 将2.5 g氯化铜和0.1 g聚乙烯醇加到100 mL水热釜中,并加入60 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为150℃,时间为10 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为90℃,时间为2h,得到CuO粉末;
3. 将1.5 g处理后的CuO粉末、6 g粒径为200 nm的硅粉和1.2 g壳聚糖进行混合,随后将混合物加入到60 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为600 rpm,时间为2 h,球料比为25:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为240℃,出口温度为120℃,进料速度为5 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为700℃、时间为6 h、保护气体为氩气,得到CuO-SiOx复合物。
实施例5、一种CuO-SiOx复合材料的制备
1. 将1 g四水合硫酸铜、2 g硝酸铜和0.1 g聚吡络烷酮加到100 mL水热釜中,并加入70 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为140℃,时间为10 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为70℃,时间为4h,得到CuO粉末;
3. 将2 g处理后的CuO粉末、8 g粒径为50 nm的硅粉、1g葡萄糖和1g柠檬酸进行混合,随后将混合物加入到100 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为700 rpm,时间为1h,球料比为40:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为240℃,出口温度为110℃,进料速度为7 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为900℃、时间为3 h、保护气体为氮气,得到CuO-SiOx复合物。
实施例6、一种CuO-SiOx复合材料的制备
1. 将1.5 g氯化铜、1.5 g硝酸铜和0.1 g正丁醇加到100 mL水热釜中,并加入60 mL水,放入烘箱中进行水热处理,温度设定为170℃,时间为5 h;
2. 将水热处理后的产物抽滤洗涤三次,放入烘箱中干燥,温度设定为80℃,时间为2h,得到CuO粉末;
3. 将2 g处理后的CuO粉末、20 g粒径为500 nm的硅粉、0.5 g壳聚糖和1 g聚乙烯醇进行混合,随后将混合物加入到120 mL水溶液中,再进行球磨处理,球磨的转速为500 rpm,时间为3 h,球料比为30:1,得到CuO-SiOx复合前驱体;
4. 对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,喷雾干燥进口温度设定为250℃,出口温度为120℃,进料速度为6 L/h,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5. 将粉末放入管式炉中进行热处理,温度设定为800℃、时间为10 h、保护气体为氮气,得到CuO-SiOx复合物。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例,本发明的技术特征并不局限于此,任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (10)
1.一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,主要包括如下步骤:
1)将铜盐和聚合物加到水热釜中,进行水热处理;
2)对水热处理后的产物进行抽滤、洗涤、干燥,得到CuO粉末;
3)将处理后的CuO粉末、Si粉和有机添加剂进行混合,随后将混合物加入到水溶液中,再进行球磨制得CuO-SiOx复合前驱体;
4)对复合前驱体溶液进行喷雾干燥处理,得到CuO-SiOx复合前驱体粉末;
5)将粉末在惰性气体保护下进行热处理,得到CuO-SiOx复合物。
2.如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤1中,铜盐包括氯化铜、四水合硫酸铜、碳酸铜和硝酸铜中一种或多种。
3. 如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤1中,聚合物包括聚乙二醇、异丙醇、正丁醇、聚乙烯醇和聚吡咯烷酮中的一种或多种。
4. 如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤1中,进行水热处理的温度为80-300℃,处理时间为1-36 h。
5.如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤2中,抽滤次数为1-5次,干燥温度为50-160℃、时间为1-10h。
6. 如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤3中,Si粉的粒径为10 nm~10 μm,CuO粉末和Si粉的质量比为1:1~20;有机添加剂包括葡萄糖、蔗糖、壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、柠檬酸中的一种或多种。
7. 如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤3中,混合物与水的质量比为1:10~200,球磨的转速为300~800 rpm,时间为2~10 h,球料比为10~40:1。
8. 如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤4中,喷雾干燥进口温度为160~300℃,出口温度为70~130℃,进料速度为1-10 L/h。
9.如权利要求1所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤4中,热处理的温度为400~1000℃、时间为0.5~15 h、保护气体为氩气或氮气。
10.如权利要求1-9中任一项所述的一种CuO@SiOx复合锂电池负极材料的制备方法制备的CuO@SiOx复合锂电池负极材料,其特征在于,该负极材料具有高的导电性及循环性能。
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