[发明专利]锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料及其制法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料及其制法和应用。制备方法包括如下步骤：竹炭经过硝酸镍和浓硝酸两步活化，洗涤烘干备用；将改性竹炭加入水中，室温下边超声边搅拌，分散均匀后加入金属盐溶液，恒温下搅拌一段时间，抽滤烘干，气氛保护条件下热处理得竹炭/金属氧化物复合负极材料。本发明通过对竹炭的活化，使金属阳离子更密切的附着在竹炭表面和孔道中，反应后形成竹炭与氧化物复合材料具有稳定的结构。将上述竹炭/金属氧化物复合材料应用于锂离子电池负极，具有良好的电化学性能。竹炭以及过渡金属盐来源广泛、价格低廉、安全环保，而且本发明采用方法简单、重复性好、可操作性强。

技术领域

本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池商业化的石墨负极材料在充放电过程中生成的SEI膜，会造成不可逆容量损失，有时还会导致碳电极内部结构的变化和接触不良；高温时可能会因保护层的分解，导致电池失效或引起安全性问题；同时石墨负极的单位体积容量相对较低，难于满足诸如电动汽车、风能太阳能储能、智能电网等领域高能量密度电池的要求。因此开发一种低成本、高容量、性能优良而且对环境无污染的负极材料，尽快推进锂离子动力电池的产业化具有非常重要的现实意义。纳米过渡金属氧化物因具有高的比容量已成为锂离子电池负极材料的研究热点，但在充放电过程中因发生严重的体积变化，导致活性材料粉碎脱落和电极结构的破坏而影响其循环性能。

针对以上问题，目前采用的方法主要有将材料纳米化，或与碳材料复合缓冲体积变化，改善电化学性能。通常采用的碳基底材料主要有石墨、石墨烯和碳纳米管等，但制备成本较高或环境污染较严重。近几年来，生物质材料经过简单碳化处理后既可以得到具有特殊形貌的碳材料，与其他储锂材料复合可制得性能良好的锂离子电池负极材料。我国是世界竹林种类丰富的国家之一，但竹材精深加工却滞后，科技支撑力度不够，竹业总体效益不高。其中竹炭是竹材热解得到的主要产品，因为竹子维束管的构造，竹炭的显微构造类似并接近于洋葱状富勒烯碳和展开的碳纳米管的特殊结构；另外竹炭具有连续的网络三维大孔微孔结构，大孔的孔壁上还存在着许多的小孔，这种大孔套小孔的特殊微观结构可形成电化学双电层的有效表面和通道，增加比容量，同时可大大地增加竹炭的比表面积，有利于电解液离子的进入和迁移；其次竹炭孔洞内有丰富的-COOH、OH等亲水基团，有利于纳米过渡金属氧化物以纳米级别存在于竹炭的孔洞结构中，形成“立体的纳米薄膜”，消除体积膨胀的问题。因此以具有丰富孔洞的竹炭为基体，构建一种三维立体分级微大孔竹炭/纳米过渡金属氧化物复合材料有重要意义，而且该类研究鲜有报道。

发明内容

为克服现有技术中锂离子电池纳米过渡金属氧化物负极材料循环性能不足的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制得的锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料。

本发明的再一目的在于提供一种应用上述锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料制备的锂离子电池。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池负极材料多孔竹炭/纳米过渡金属氧化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)取竹炭和硝酸镍，混合均匀后在惰性气氛保护下煅烧，取出后酸洗活化一段时间，抽滤洗涤，烘干，得到改性竹炭；

(2)取改性竹炭分散到水中，分散均匀后加入过渡金属盐溶液，恒温下搅拌反应一段时间，冷却后抽滤洗涤，烘干得竹炭/过渡金属氧化物前驱体备用；

(3)将竹炭/过渡金属氧化物前驱体于惰性气氛保护下热处理一段时间，得多孔竹炭/纳米过渡金属氧化物复合负极材料(即所述锂离子电池竹炭/金属氧化物复合负极材料)。