[发明专利]一种多级纳米结构的锂离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种多级纳米结构的锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。该材料包括基体，以及负载在其表面的多级纳米结构的氧化铜；其中，一级纳米结构的氧化铜以纳米线形式展现，纳米线长8~12μm，宽150~250nm，宏观上纳米线呈放射状分布，每60~150根纳米线组成一个氧化铜微米花，氧化铜在基体上的负载厚度为8~12μm，二级纳米结构的氧化铜以纳米片形式生长于纳米线上，纳米片厚2~4nm，长60~120nm；所述的基体为泡沫铜。本发明材料制备工艺简单，降低了设备复杂性，减少了能耗，适于规模化生产，且在形成二级纳米结构氧化铜的同时，又对有机染料实施了降解，达到了一举两得的效果，方法绿色环保。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体地说是一种多级纳米结构的锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

过渡金属氧化物是一类重要的转换反应型锂离子电池负极材料。氧化铜是过渡金属氧化物中易获取且成本低廉的热门材料，其作为锂离子电池负极材料存在性能易衰减的问题，主要原因是反应过程中发生了巨大的体积膨胀/收缩，造成多次循环后活性材料粉化、脱落。纳米化与多孔化，是抑制衰减问题的重要措施之一。此外，多数所合成的氧化铜纳米材料以粉末形式存在，在制备成电极材料时需添加导电剂、粘结剂等，造成材料电阻加大，影响了电池的性能。设计与制备纳米化、多孔化、自支撑(无导电剂和粘结剂)的氧化铜三维结构是解决氧化铜基锂离子电池性能衰减的重要措施。

现有技术中，CN104925846A公开了一种纳米氧化铜的制备方法及其在锂电池中的应用，该方法所得纳米氧化铜粉末不能直接作为锂离子电池负极材料而使用，需要加入导电剂、粘结剂并混合均匀后，涂于集流体上，烘干后再使用，从而增加了生产周期和制备的成本。CN105514406A公开了一种氧化铜纳米线阵列在室温下的制备方法，该方法需使用高质量浓度(28％)的氨水参与反应，反应时间96小时，该工艺条件对环境和工人健康有潜在威胁，且工艺时间较长，不适合快速规模化生产。此外，该专利以铜片为基底在铜片表面生长氧化铜纳米线阵列，并将其应用于锂离子电池负极，由于铜片基底本身无多孔结构，降低了反应的充分性，加大了锂离子与内部纳米线的传输距离，且多次循环后，纳米线易粗化合并，使电池性能衰减。论文Scientific Reports 2015，5：16115公开了一种结合阳极氧化法和煅烧工艺在多孔金属铜表面生长氧化铜纳米线的方法，首先在25℃、3mol/L NaOH溶液、10mA cm^-2的电流密度下将泡沫铜阳极氧化30分钟，再将其在180℃煅烧1小时，得到以泡沫铜为基体的氧化铜纳米线复合材料，该方法所合成氧化铜纳米线较粗，直径约450nm，纳米线上无更细小纳米级二级结构，将影响该材料作为锂离子电池负极材料的性能和效率，且所制氧化铜线经煅烧后表面开裂，影响了其机械完整性。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种多级纳米结构的锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。该材料以泡沫铜为基体，基体表面负载有多级纳米结构的氧化铜，其中一级纳米结构为氧化铜纳米线，呈放射状分布，每60～150根纳米线组成一个氧化铜微米花，二级纳米结构为氧化铜纳米片，生长于纳米线上，从而形成了微观上具有多级纳米结构、宏观上呈放射状结构的复合电极材料。其制备方法中，以三维多孔泡沫铜金属为骨架，采用氢氧化钾溶液为电解液，利用阳极氧化法和随后的煅烧工艺制得具有表面纳米孔的中间产物，使CuO纳米线表面暴露出晶面的择优生长方向，再通过光催化降解反应进行表面结构重组，最终使表面二级纳米结构形成。本发明所制备纳米线比以往材料宽度更窄，尺度更细，更完整，不易开裂，且纳米线表面还具有纳米片结构，用作锂离子电池负极材料展示出结构和性能优势。

本发明的技术方案是：