[发明专利]基于氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的锂离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法，特别是涉及一种负极材料为氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的锂离子电池及其制备方法，属于材料制备和能源电池领域。

背景技术

锂离子电池因其具有能量密度高、输出电压高、循环性能好、使用寿命长、绿色环保的优良性质，近年来已广泛应用于便捷式电子产品、军事工业、航空航天等领域，在未来电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的动力装置应用领域中也具有广阔的前景，因此提高锂离子电池性能是目前研究的热点。其中，电极材料的选择是影响锂离子电池性能的关键因素。

作为重要的无机材料之一，氧化镍具有自然储藏丰富、价格低廉、热稳定性好等优点，目前已经在催化、气体传感器、磁性材料等诸多领域中得到了广泛的应用。氧化镍作为锂离子电池负极材料具有理论比容量高(718 mAh/g)、环境友好等优点，成为目前应用较为广泛的新一代锂离子电池负极材料之一。

但由于氧化镍自身的结构特点和传统方法制备的材料颗粒尺寸偏大等原因，导致材料内部的电子传导性能差，锂离子在氧化镍颗粒中的扩散速率很低，极大地限制了氧化镍的电化学性能和电池的循环性能。随着对电池性能要求的不断提高，尤其是动力锂离子电池对能量密度和功率密度的双重高要求，开发新型电极材料的锂离子电池日益迫切。

目前，氧化镍是重要的锂离子电池负极材料之一。最新的研究发现，氧化镍作为负极材料使用时，其粒径尺寸和形貌对电化学性能有重要影响。因此，如何制备具有特殊形态的氧化镍，是锂离子电池负极材料领域值得探索的一个课题。

近年来，三维多孔空心材料的制备一直是材料和化学领域研究的热点之一。粒径在纳米级乃至微米级的多孔空心球具有特殊的空心结构，与块体材料相比具有比表面积大、密度低、稳定性高、单分散性、表面渗透性好和吸附性高等优点。而且，三维多孔的纳米级空心球能有效地缩短离子和电子在其内部的迁移距离，并使得电极材料和导电剂能够更为均匀高效的混合，从而提高材料内部的锂离子及电子的扩散和传输速率，并改善充放电过程中的动力学特征。

发明内容

本发明的目的是提供一种以氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料为负极活性材料的锂离子电池及其制备方法，所述的锂离子电池具有电池容量高、充放电循环性能好等特点。

本发明采用如下技术方案：

一种基于氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的锂离子电池，包括正、负极电极片、电解液和隔膜，其特征在于，所述的负极电极片的活性材料为氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料，所述的复合材料包括空心多孔氧化镍纳米球，其表面包覆一层均匀的氮元素掺杂碳层。

所述的空心多孔氧化镍纳米球的粒径为200～300 nm。

基于所述氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料为负极材料组装的锂离子电池具有电池容量高、充放电循环性能好等特点。

所述的氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的制备采用溶剂热法合成，将尿素、六水合氯化镍、醋酸钠分散在乙二醇中形成混合液，其中六水合氯化镍和醋酸钠的摩尔比为1:3～5，六水合氯化镍与尿素摩尔比为1：3.5～5.5，六水合氯化镍与乙二醇的摩尔比为1:95～100；将该混合液于160～200 °C下进行溶剂热反应，所得产物经洗涤、干燥后即得前驱体碳酸氢镍球形纳米粒子，粒径为200～300 nm；将该前驱体加入到1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体中，于160～200 °C下进行溶剂热法处理，所得产物经洗涤、干燥后，在氩气气氛下进行热处理（以2 °C /min 程序升温至300～500 °C），冷却至室温，即得到氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料，将其作为负极活性材料用于锂离子电池的负极。

所述的方法中，前驱体碳酸氢镍和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体摩尔比是1:50～150。

所述的方法中，溶剂热反应的优选条件为160～200 °C，18～24 h。

所述的方法中，溶剂热法处理的优选条件为160～200 °C，3～5 h。

将上述的负极活性材料与乙炔黑、PVDF（聚偏氟乙烯）和溶剂混合后，制成浆料涂布在金属箔片上，制得负极电极片。

本发明还涉及所述锂离子电池的制备方法，采用的技术方案是：

一种基于氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：