[发明专利]一种氮掺杂Cu3P/C‑Cu锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类氮掺杂碳复合锂离子电池负极材料，特别涉及一种氮掺杂碳复合Cu₃P无粘结剂电极的制备方法及其储锂特性，属于电化学电源领域。

技术背景：

传统的锂离子电池电极制备方法通常是先将电极材料与粘结剂、导电剂按一定比例混合，然后搅拌得到均匀浆料，最后将浆料涂覆在铜箔或铝箔上烘干进行下一步的工艺操作。其中电极制备工艺比较复杂，此外所引入的粘结剂本身没有储锂性能，导电剂多为无定型碳材料，理论容量也较低，这将导致电极较大的容量损失。相比传统的粉体电极材料，直接在泡沫金属上沉积生长活性材料，不仅能简化电极制备工艺，还可以利用泡沫金属良好的导电性、三维多孔结构及高的比表面积，增强电极的电子传输过程，缓解电极在循环过程中的体积变化，改善电极在循环中的结构稳定性，从而提升电化学性能。因此，研制一种无粘结剂和导电剂的电极具有十分重要的意义。

碳包覆在提高电极材料导电性及循环稳定性中有显著的效果，在LiFePO₄，Li₃V₂(PO₄)₃，Li₄Ti₅O₁₂等正负极材料中有广泛的应用。近年来针对氮掺杂石墨烯进行了研究，表明氮掺杂对改善电化学性能具有显著作用。如在文献（1）中国科技论文2012年6月，第7卷，第6期中，高云雷等人将氧化石墨与三聚氰胺在氮气下950 ℃反应合成氮掺杂石墨烯，电化学测试结果表明，氮掺杂石墨烯电化学稳定性和储锂性能明显增强。另外氮掺杂在其它材料中也有运用，如文献（2）无机材料学报2010年9月，第25卷，第9期中，高宏权等人为了提高其倍率性能，以尿素为氮源对Li₄Ti₅O₁₂ 进行掺杂热处理，结果表明3C倍率充放电比容量氮掺杂是未掺杂Li₄Ti₅O₁₂样品的2.6倍，0.1C充放电循环100次后其容量损失仅3%。说明氮掺杂对材料性能的改善具有重要作用。

考虑到目前关于Cu₃P的相关报道中循环稳定性较差以及容量较低，以及还没有关于Cu₃P碳复合无粘接剂电极的研究报道，同时针对氮掺杂Cu₃P的研究也尚未见报道，因此我们对Cu₃P-Cu锂离子电池负极材料进行氮掺杂碳复合处理，结果发现该材料具有优异循环性能，在锂离子电池中具有广泛的应用前景。

发明目的

本发明的目的在于提供一种具有优异电化学性能的无粘结剂氮掺杂碳复合Cu₃P-Cu锂离子电池负极材料。

本发明所涉及的电极化学组成为：氮掺杂、碳复合Cu₃P。

所述氮掺杂碳复合Cu₃P-Cu的制备方法具体步骤为：

（1）将泡沫铜表面用浓度为5~15%的盐酸清洗，用于去除泡沫铜表面的氧化物；

（2）将六次甲基四胺溶于去离子水中得到浓度为2~3g/L的溶液，将步骤（1）中处理过的泡沫铜完全浸没于六次甲基四胺溶液中，得到吸附六次甲基四胺的泡沫铜；

（3）将步骤（2）中吸附六次甲基四胺的泡沫铜放置于真空烘箱中，50℃下烘干，得到烘干后的泡沫铜；称取纯度为98%及以上的红磷平铺在陶瓷料舟中，平铺厚度为1.0~3.0mm；再将烘干后的泡沫铜至于红磷上方，泡沫铜周围设置有泡沫铜细屑（所述的红磷上方还可以设置有多块并列的泡沫铜，泡沫铜与泡沫铜之间采用泡沫铜细屑隔开。），在氮气保护下，以350℃烧结5h。

本发明所涉及的氮掺杂碳复合Cu₃P-Cu负极材料及制备方法具有以下几个显著的特点：

（1）合成方法简单，易于操作；

（2）氮掺杂碳包覆磷化铜均匀生长在泡沫铜表面，N、C、Cu₃P均匀分布；

（3）所制备材料电化学性能优异，在锂离子电池中有潜在应用。

附图说明：

图1实施例1所制备样品的SEM图。

图2实施例1所制备样品的元素分布EDS图。

图3实施例1所制备样品的N1s XPS图谱。

图4实施例1所制备样品的首次充、放电曲线(a)和循环性能图(b)。

具体实施方式：

实施例1