[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着现代电子科技的发展，各类便携式电子设备已经广泛应用在人们的日常生活中，如移动电话，笔记本电脑，数码相机等。锂离子电池具有的小体积，大容量，无污染，循环次数多等优点，逐渐成为了市场上便携式电子设备的主流能量存储设备。然而，随着近年来新能源汽车与高性能电子产品的开发与应用，人们对于锂离子电池的性能提出了更高的要求。开发新一代的高性能的锂离子电池材料，已成为科研工作者亟需解决的问题。

锡基合金由于高理论容量（能够形成Li₂₂Sn₅，理论容量994mAh/g），较好的导电性能，成为最受关注的锂电池负极材料。但是，由于锂与锡形成合金的过程中体积变化非常巨大，而金属本身的宏观机械性能无法抵抗因此而产生的应力，反复充放电后，会导致材料的粉末化而失效。为了提高锡基负极材料的循环稳定性能，人们提出在负极材料中引入惰性材料，在充放电过程中起缓冲作用，抵抗反复充放电过程中由体积变化所产生的应力。此外采用纳米结构负极材料也是一种提高锂离子电池性能的有效途径。纳米材料由于其纳米级空穴与通道，可提高锂离子的嵌入量，纳米合金材料的离子扩散路径短，表面积大，晶界区域大大增加，在动力学上具有明显优势；对于充放电过程中有体积变化的电极，纳米材料本身绝对体积变化较小，并且具有较好的塑性和蠕变行。因而相对常规负极材料，其循环性能明显改善。

2005年Shin (Adv. Funct. Mater. 2005, 15 (4), 582-586)等报导了电沉积法制备的三维多孔Cu₆Sn₅合金纳米材料，30次循环后，其性能仍能够达到400mAh/g。Wolfenstine 等人（J. Power Sources, 2002, 109 (1), 230-233）利用化学还原法制备了纳米尺寸（<100nm）Cu₆Sn₅，经过100次循环后仍有较高的可逆循环容量。可以看出锡基负极材料中引入惰性材料—铜，可以有效的提高材料的循环性能。此外，Park 等（Nano Lett. 2009, 9 (11), 3844-3847）利用多孔氧化铝模板法合成的硅纳米管得到了3247mAh/g的可逆循环电容量，而且其衰减量非常小，在200圈循环后，仍可达到2500mAh/g以上的可逆电容量。可见一维管状纳米结构的锂电池负极材料在循环性能上的优异的特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高比容量，性能稳定的锂离子电池负极材料及其制备方法。

本发明的锂离子电池负极材料，是一种具有纳米管结构的Cu₆Sn₅合金。本发明提供的Cu₆Sn₅纳米管，是采用具有纳米级孔道的氧化铝膜—多孔氧化铝为模板，通过电化学沉积的方式，在模板中沉积Cu₆Sn₅合金，再将模板腐蚀去而获得的材料。

本发明的纳米管结构的Cu₆Sn₅负极材料的制备方法，其具体步骤如下：

a. 首先依次用去离子水，丙酮超声清洗多孔氧化铝膜 (孔径为100~200nm，厚度为60μm)，空气下晾干后，利用离子溅射对氧化铝膜单面镀金，溅射电流为10mA，时间为15~30min。再将氧化铝膜放置在平整的电极上，其中镀金一面与电极接触，用不与溶液反应的绝缘的粘结剂（如玻璃胶，环氧树脂胶等）将镀金的多孔氧化铝膜固定在电极上，再利用绝缘胶对非沉积部位进行绝缘处理。

b. 然后，配制具有铜锡离子的电解液, 通过对电解液的中铜锡离子比例来控制电沉积产物的成分为Cu₆Sn₅合金。

c. 将制备好的电极浸泡在电解液中进行电沉积，通过对电解液配比的调控来控制电沉积产物的成分为Cu₆Sn₅合金，在多孔氧化铝模板中沉积Cu₆Sn₅纳米管。

d.在阴极电流（50μA/cm²）保护下，将上述步骤制备得到的材料浸泡在1~2mol NaOH中40~60min，将多孔氧化铝模板腐蚀，得到具有纳米管结构的Cu₆Sn₅合金。