[发明专利]一种亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

迅速发展起来的电子行业以及电动车行业对锂离子电池高容量以及高倍率性能提出了越来越高的要求。电极材料是决定电池综合性能的主要因素。目前用作锂离子电池负极材料主要是炭负极材料。生物质炭材料作为炭负极材料的一种，由于其内部有很多自然孔隙，对锂离子的存储以及电子的传输提供了较短的传输途径。

目前国内外很多学者已经利用生物质炭材料用作锂离子电池负极材料并作了诸多研究。Peled等人用棉作为原料制备电极、组装锂离子电池，测试表明，多步热解会减小炭材料的比表面积和不可逆电容 ( Peled E, Eshkenazi V, Rosen- berg Y. Journal of Power Sources, 1998, 76(2): 153-158.)。George等人通过热解稻米壳制备了炭材料，组装的电池显示出较高的可逆电容量，电容量为1055mAh/g ( Fey G T K, Chen C L. Journal of Power Sources, 2001, 97: 47-51.)。 Hwang等人在800℃和900℃下热解咖啡豆壳得到炭材料，在热处理前用KOH和ZnCl₂帮助成孔 ( Hwang Y J, Jeong S K, Nahm K S, et al. Journal of Phys. Chem. Solids, 2007, 68(2): 182 – 18 8. )。随后，Hwang等人以叶子壳为原料，用同样的实验方法制得炭材料并组装电池并测试 ( Hwang Y J, Jeong S K, Shin J S, et al. Journal of Alloys Compd, 2008, 44 8(1-2): 141-147.)。作为广西特产资源，剑麻纤维来源丰富、成本低、无污染，将其作为锂离子电池负极材料，无疑对环境保护、农业和可持续发展具有长远意义。

另一方面，不同形貌的硫化铜由于较高的理论比容量以及来源广泛、低毒等优势，也已经被研究者用作锂离子电池负极材料，但普遍存在容量低且衰减快等特点，而单一的剑麻纤维炭在作锂离子电池负极材料时虽然具有较好的循环稳定性，但是其比容量较低。有研究表明，以适当手段将硫化铜与炭材料进行复合，其电化学性能得到了很大改善。因此，可以预见，若以剑麻纤维炭与硫化铜构筑复合材料，通过剑麻纤维炭的孔隙能够调节硫化铜电极材料在循环过程中产生的体积膨胀，并避免硫化铜电极材料在电解液中的溶解，从而令复合物的导电性和比容量较单一的剑麻纤维炭材料有较大的提升，然而，迄今为止，硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料及其制备尚未见有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料及其制备方法。该电池负极材料具有良好电化学性能、较好的循环性能和倍率性能，且制备方法的步骤较为简单。

本发明的亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料包括硫化铜和剑麻纤维炭，其中硫化铜为六方晶系，呈不规则形状，粒径在200~500nm之间并均匀地分散在具有多级孔隙结构的剑麻纤维炭的表面及孔内，硫化铜的质量占复合物总质量的20%，其中剑麻纤维炭的多级孔隙结构包括大孔和微孔，大孔孔径在2~10μm之间，微孔孔径在1~3nm。

制备上述亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料的具体步骤为：

(1)将剑麻纤维在气体流量为40~100mL/min 的氮气气氛下炭化 0.5~3h，炭化温度为600~1000 ℃，升温速率为1~10 ℃/min，自然冷却至室温后，得到剑麻纤维炭，在300~400r/min的转速下机械球磨后、过200目筛，得到剑麻纤维炭粉末。

(2)将0.1~0.4g硝酸铜加入到70~80ml去离子水中，用磁力搅拌器搅拌至完全溶解，在持续搅拌下加入0.64~0.76g步骤(1)制得的剑麻纤维炭粉末，继续加入0.12~0.48g硫脲，密封持续搅拌过夜，最后将混合溶液转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，控制反应釜中溶液填充量为70~80%，再将反应釜置于烘箱中在170~180℃下反应12~48h，自然冷却至室温，然后过滤，用去离子水和乙醇清洗滤出物，并于40~60℃真空干燥箱中烘干，得到黑色固体粉末，即为亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料。