[发明专利]一种复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合电极材料及其制备方法，具体地说，涉及一种在氧化铜纳米线外包覆氮化碳的复合电极材料及其制备方法，属于化学储能电池领域。

背景技术

移动电子设备和电动汽车的飞速发展迫切需要开发更高容量的锂二次电池，为满足这一需求首先需要发展新一代高容量电极材料。目前，商品化锂二次电池用负极主要采用石墨化碳材料，其实际比容量已接近理论值（372mAhg^-1）。因此，开发高容量的新型负极材料已成为锂二次电池研究的重点。

Poizot小组报到了3d过度金属氧化物MO（M代表Co,Ni,Cu或Fe），作为负极材料具有较高的储锂容量（700mAhg^-1）和良好的循环寿命（P.Poizot,S.Laruelle,S.Grugeon,L.Dupont,J.-M.Tarascon,Nature,2000,407,496）。其中氧化铜（CuO）作为一种典型的p型半导体，在电池电极材料方面有着广泛应用前景。专利CN101030606以一维CuO纳米针/Cu作为基板，应用于燃料电池和太阳能电池中。专利CN102231435A在铜基底上制备了CuO纳米棒阵列薄膜，应用于锂二次电池负极，明显提高了所述电池的首次放电比容量。然而，氧化铜材料在脱嵌锂过程中由于体积膨胀效应产生的结构应力，使得容量衰减较快。研究表明，通过在氧化铜表面包覆导电碳材料如石墨、石墨烯、碳纳米管等可提高电极结构的稳定性，从而改善循环性能（W.M.Zhang,J.S.Hu,Y.G.Guo,S.F.Zheng,L.S.Zhong,W.G.Song,L.J.Wan,Adv.Mater.,2008,20,1160;B.Wang,X.L.Wu,C.Y.Shu,Y.G.Guo,C.R.Wang,J.Mater.Chem.,2010,20,10661)。

碳化氮（β-C₃N₄）于20世纪八十年代经理论计算被预言存在，具有许多优异的电学、光学、热学以及机械与摩擦学性能。目前可通过磁控溅射等手段制备具有非晶相的碳化氮薄膜，使碳化氮在锂二次电池中具有很大的应用潜力。

目前，已有报道氧化铜纳米线外包覆碳材料的复合电极材料及其制备方法，但尚未见氧化铜纳米线外包覆氮化碳的复合电极材料及其制备方法的报道。

发明内容

针对现有技术中尚无在氧化铜纳米线外包覆氮化碳形成的复合电极材料及其制备方法的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种复合电极材料，所述电极材料为氧化铜纳米线外包覆氮化碳的复合电极材料，可用作锂二次电池的负极材料。

本发明的目的之二在于提供一种复合电极材料的制备方法，所述方法以氧化铜纳米线为基片，碳材料为靶材，在氮气气氛下利用磁控溅射在氧化铜纳米线表面沉积一层氮化碳形成所述复合电极材料。

本发明的目的之三在于提供一种氧化铜纳米线外包覆碳材料的复合电极材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种复合电极材料，所述电极材料为氧化铜纳米线外表面包覆氮化碳形成的复合电极材料。

其中，氮化碳包覆的厚度优选为纳米级；氮化碳包覆的厚度更优选为5～500nm。

氮化碳中的碳原子与氮原子之比优选为3:4～10:1。

氮化碳优选为无定型结构。

氧化铜纳米线的长度优选为0.5～15μm。

氧化铜纳米线的直径优选为20～200nm。

一种本发明所述的复合电极材料的制备方法，所述方法步骤如下：

以氧化铜纳米线为基片，碳材料为靶材，氮气为溅射气氛，在本底压强≤1.0×10^-5Pa条件下通过磁控溅射将碳材料沉积到氧化铜纳米线外表面，得到一种复合电极材料。

其中，所述氧化铜纳米线可采用本领域现有常规技术手段制备得到；优选采用低温氧化法制备，具体步骤如下：

将金属铜作为基体，在空气或氧气气氛下400～600℃烧结2～6h，基体表面生成氧化铜纳米线；其中，基体优选为铜箔、铜网或铜栅。

可采用磁控溅射制备靶材的常规方法将碳材料制为靶材，如常压烧结法、冷压法或真空热压法等。

碳材料优选为石墨、中间相炭微球、中间相炭纤维或碳纳米管。

溅射气氛优选为纯度≥99%的氮气。

磁控溅射可为直流磁控溅射或射频磁控溅射。