[发明专利]八面体Cu3

说明书

本发明公开一种八面体Cu₃P/氮磷双掺杂碳粉体、制备方法及其应用，采用水热法制备八面体Cu₃(BTC)₂作为前驱体，经过碳化磷化后形成八面体Cu₃P/氮磷双掺杂碳粉体，其中磷化铜被氮磷双掺杂碳包围，形成一种核壳结构，这种独特的结构可以缓冲磷化铜在充放电过程中的体积膨胀，同时掺杂碳具有优异的导电性能，丰富的孔结构有利于锂离子的快速嵌入和拖嵌，适合大电流充放电，提高了Cu₃P负极材料的倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种八面体Cu₃P/氮磷双掺杂碳粉体、制备方法及其应用，属于锂电池领域。

背景技术

锂离子电池因具有高能量密度、超长的循环性能和合适的工作电位窗口，被广泛应用于能量存储与转化器件。石墨因具有工作电压高且平稳、良好的安全性和低廉的成本，成为目前工业上用量最大的负极材料。现有的石墨负极不能提供足够高的比容量、循环稳定性和速率能力，极大地限制了锂离子电池的进一步发展。因此，需要设计具有更高容量、杰出的循环/倍率性能且结构独特的负极电极材料来增强锂离子的存储能力。

近年来的研究表明，过渡金属磷化物具有较高的理论容量、良好的电导率和低廉的成本，是一种很有前途的负极材料。特别是磷化铜(Cu₃P)具有优异的体积容量和较低的电化学工作窗口，引起了人们的广泛关注。与其他过渡金属磷化物一样，Cu₃P具有导电性差、体积膨胀/收缩大、颗粒团聚等缺陷，最终导致充放电时容量衰减较快、速率性能较差。但可以通过一些有效的方式提高Cu₃P负极材料的锂存储潜力。例如，构建特定的粒子形态，不仅可以通过缩短Li离子的扩散距离来改善电子和离子的扩散动力学，还可以降低电活性材料在循环过程中的机械应变。此外，引入导电碳基体是缓解巨大体积膨胀和增强电子导电性的主流方法，从而提高Cu₃P作为锂离子电池负极材料的稳定性。同样的，对碳基底材料进行异原子掺杂可以增强电化学活性以及电导率，通过诱导大量的缺陷，为锂插入提供更多的活性位点。因此，用异原子掺杂碳包覆Cu₃P纳米粒子制备新型电极材料是十分必要的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种八面体Cu₃P/氮磷双掺杂碳粉体、制备方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用的一种八面体Cu₃P/氮磷双掺杂碳粉体的制备方法，包括以下步骤：

(1)取5～7mmol三水合硝酸铜溶解在20～40ml去离子水中，超声20～40min，使三水合硝酸铜溶解在去离子水中，形成溶液A；

(2)称取0.5g～1.5g的1,3,5-苯三甲酸和0.5g～1.5g的聚乙烯吡咯烷酮溶解在20～40ml无水乙醇中，搅拌20～40min，形成溶液B；

(3)将溶液A迅速倒入溶液B中，并在400～600rpm/min高速下搅拌0.5～1.5h，使两种溶液均匀混合；

(4)将步骤(3)得到的混合溶液，转移到80～120ml聚四氟乙烯的高压反应釜内衬中，放入鼓风干燥箱中，在100～140℃下，水热反应10～15小时，得到八面体Cu₃(BTC)₂；

(5)将步骤(4)得到的八面体Cu₃(BTC)₂，离心冲洗，离心后的八面体Cu₃(BTC)₂放入真空干燥箱中干燥；

(6)将步骤(5)干燥好的八面体Cu₃(BTC)₂，放入石英舟中，在500～700℃下碳化1～3h，升温速率为1～3℃/min，碳化后得到褐色Cu/NC粉体；