[发明专利]一种纳米海绵碳复合Cu2

说明书

一种纳米海绵碳复合Cu₂O和Cu柔性电极材料及其制备方法，属于电极材料技术领域。所述柔性电极是以微米级尺寸的碳纤维相互交织形成具有连通孔洞的三维网络作为骨架，Cu₂O和Cu生长在骨架中，并且Cu连通碳纤维之间孔隙网络结构。这种三维网络骨架作为一个整体，在外力作用下容易恢复，宏观表现为高柔性，因此可直接作为电极使用；并且Cu连通断裂碳纤维形成导电通路，能够提高材料整体的导电性。本发明利用三聚氰胺纳米海绵碳化形成多孔碳材料对Cu和Cu₂O的包覆作用，有效增加材料比表面积的同时也能抑制Cu₂O在充放电过程中的体积变化，显著提高器件的储能性能。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种纳米海绵碳复合Cu2O和Cu柔性电极材料及其制备方法。

背景技术

金属氧化物因其在电极/电解液界面产生的法拉第准电容，故容量可达到传统碳材料电极的10～100倍，现目前过渡金属氧化物作为超级电容器电极材料的报道层出不穷，其中铜基氧化物具有低成本、环境友好、电化学性能优异等优点，使得其成为超级电容器和电化学电池应用中非常有前景的电极材料。

氧化亚铜(Cu₂O)作为一种典型半导体，还具有带隙能低(1.2eV)、理论容量大(375mAhg^-1)、安全性能高等优点，将其作为电极材料的应用在储能领域已有很多报道。然而，Cu₂O存在导电性差、充放电过程中体积变化大以及在多次充放电循环后其容量严重衰减等缺陷。限制了其作为电极材料在储能领域的进一步发展。技术人员通过研究发现，将Cu₂O与碳材料复合是提升导电性、抑制体积变化的一种有效方法，具体请参考《Fabrication of Cu₂O-based Materials for Lithium-ion Batteries》，文章中将Cu₂O与活性炭、碳纳米管、石墨烯等复合并应用于锂离子电池中，取得了良好的效果。但是随着近年来轻质、柔性、可穿戴电子设备的快速发展，对储能器件提出严苛的要求，如何实现电极材料的柔性化构建成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

柔性电极不仅要具有可弯曲、可折叠、可压缩、可拉伸等机械性能，同时还具有高比面积和高活性。现阶段发展的柔性电极通常是将导电剂、粘结剂、活性材料混合涂覆在具有高比表面积的材料上(比如镍泡沫)。而导电剂、粘结剂在活性材料中的无序分散，会降低电极有效比表面积、离子传输能力、材料使用寿命、比电容和能量密度。暨南大学曹琳发表的硕士论文《高性能超级电容器电极材料的设计及其柔性化构建》中采用自制纳米Ag作为导电物质，SDS作为分散剂，乙醇和水复配作为溶剂，配制成可用于直写的纳米Ag浆料，将纳米Ag浆料和碳纳米管(CNT)涂覆在纸基纤维网络上，制备Ag/CNT纸基柔性电极，在该方法中Ag作为碳材料柔性电极的导电膜层使用，同CNT一并作为电极活性物质。该方法仍然沿袭传统柔性电极的构建方式，单纯将理想材料复合在一起作为柔性涂层，不能完全保证柔性涂层中物质在电解液作用出现脱落现象，进而严重影响材料的电化学性能；同时活性物质与集电器之间的结合性能也会直接影响到电极作用的稳定发挥。因此，开发一种新型的一体化柔性电极材料具有重要意义。

发明内容

针对现有技术氧化亚铜作为电极以及柔性电极构建存在的问题，本发明提供一种纳米海绵碳复合Cu₂O-Cu柔性电极材料及其制备方法，本发明材料具有良好的可弯曲、可折叠、可压缩、可拉伸等机械性能，能够维持良好的界面完整性，可直接作为电极使用；并且明显提升了导电性和储能性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种纳米海绵碳复合Cu₂O和Cu柔性电极材料，其特征在于，所述柔性电极是以多孔碳材料作为骨架，所述骨架是微米级尺寸的碳纤维相互交织形成具有连通孔洞的三维网络骨架， Cu₂O和Cu生长在所述三维网络骨架中，并且Cu连通碳纤维之间孔隙网络结构。