[发明专利]一种氧化铜纳米线的制备方法及其在锂电负极中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种氧化铜纳米线负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，锂离子电池因其具有比容量高、循环稳定性好、无记忆效应以及绿色环保等优势而发展迅速。随着人们对能源需求的提高，近年来，随着电动汽车以及移动电子产品的发展，对锂离子电池的比容量以及倍率性能也提出了更高的要求。就锂离子电池负极材料而言，目前商业化的多为碳材料，包括以下三类：石墨和石墨化碳材料、非石墨化软碳以及硬碳。石墨材料价格便宜，储量多，但是其理论比容量较低，只有372mAh/g；非石墨化软碳具有较高的可逆容量，但是在脱锂过程中存在严重的电压滞后；硬碳的比容量200mAh/g-600mAh/g，但是导电性不好，且不可逆容量较大[Jun Liu,Dongfeng Xue.HollowNanostructured Anode Materials for Li-Ion Batteries.Nanoscale Res Lett,2010,5:1525-1534]。因此，如何用高比容量、高倍率性能优异的材料替代目前所用的碳材料是一个十分重要的课题。

纳米结构的氧化铜作为锂离子电池的负极材料目前被广泛研究，这是由于锂离子在与氧化铜反应过程中，生成了铜粒子，铜粒子的产生增加了氧化铜的导电性，从而减小了电池阻抗，提高了其比容量[Yan Yu,Yi Shi.Facile ElectrochemicalSynthesis of Single-Crystalline Copper Nanospheres,Pyramids,and TruncatedPyramidal Nanoparticles from Lithia/Cuprous Oxide Composite Thin Films.J.Phys.Chem.C,2008,112:4176–4179]。多晶氧化铜纳米线因其具有大的比表面积和多晶体缺陷，可以获得比理论值674mAh/g更高的比容量766mAh/g[X.P.Gao,J.L.Bao.Preparation and Electrochemical Performance of Polycrystalline and SingleCrystalline CuO Nanorods as Anode Materials for Li Ion Battery.J.Phys.Chem.B,2004,108:5547–5551]。

目前，制备氧化铜纳米线的方法有以下几种：一、直接沉淀法，即先将铜盐和碱溶液混合生成氢氧化铜纳米线，再加热使氢氧化铜分解生成氧化铜纳米线[Wenzhong Wang,Oomman K.Synthesis of CuO and Cu₂O crystalline nanowiresusing Cu(OH)₂nanowire templates.J.Mater.Res.,2003,18:2756-2759]。此方法制备的产物形貌不易控制，难以规模生产。二、模板法，模板法所用模板主要包括硬模板和软模板两种。硬模板具有纳米孔道，如多孔氧化铝；软模板主要指表面活性剂，利用其微孔，即用棒状胶束、微乳液为模板。利用电化学沉积的方法，先在模板上生成铜纳米线，再经高温氧化生成氧化铜纳米线[Chien-TeHsieha,Jin-Ming Chen.Synthesis of well-ordered CuO nanofibers by a self-catalyticgrowth mechanism.Applied Physics Letters,2003,82:3316]。此方法生产工艺复杂，可操作性低，不易工业化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新的氧化铜纳米线的制备方法，按下列方法制得：

步骤一：将铜箔用稀酸处理后放入马弗炉中，氧化气氛下，300-600℃保温3-12h，得到氧化铜和氧化亚铜的混合物。其中氧化铜形貌特征为一维纳米线，直径为100-250nm，长度为5-30μm；

步骤二：将氧化铜和氧化亚铜的混合物放入浓氨水中，室温下，磁力搅拌3天，得到纯的氧化铜纳米线，其直径在5-20nm，长度1-10μm。

本发明进一步的优选方案是：所述的稀酸溶液选自稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的一种。

本发明进一步的优选方案是：铜箔在马弗炉内以3-30℃/min的升温速率，升温至300-600℃。