[发明专利]负极材料、其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种负极材料、其制备方法和锂离子电池。所述负极材料包括纳米级的立方空心结构，所述立方空心结构包括立方体壳层以及空心腔，所述壳层的主要组成为氧化铜。所述方法包括：1)配制包含铜盐、有机溶剂和有机配体的混合液，水热反应，所述水热反应的时间大于3h，得到前驱体；2)氧化处理，得到所述的负极材料。本发明的负极材料中，纳米级的立方空心结构有利于容纳由于离子脱嵌而导致的体积膨胀，并且主要组成为氧化铜壳层结构能够提供丰富的电活性区，促进活性材料与电解质的接触，减少了离子和电子的扩散途径，大大增强了电极动力学，提高了循环稳定性。本发明的方法简单，可操作性强，易于合成，所用原料环境友好，不含有毒物质。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种负极材料、其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因其能量高、功率密度大、循环寿命长等优点，自1990年起作为能量转换装置成功应用于便携式电子产品。当电极吸收更多的离子时，电极膨胀，累积的应力使电极骨架崩溃。随后，插入离子减少，容量和循环稳定性下降。为了解决这个问题，各种形态的电极已经被探索，其中空心单壳层立方结构是一种优良的负极材料结构，这是由于：(1)空心结构可以容纳体积的膨胀，能够缓冲脱/嵌过程中伴随体积变化而产生的机械应力；(2)空心单壳层结构提供了丰富的电活性区，促进了活性材料与电解质的接触；(3)空心单壳层结构减少了锂离子和电子的扩散途径，大大增强了电极动力学，提高了循环稳定性。

在多种适于锂离子电池(LIBs)负极材料的过渡金属氧化物中，铜氧化物(Cu₂O和CuO)因其丰度高、成本低、环境友好、易于合成、化学稳定性好、理论容量大(674mAh g^-1)等优点而备受关注。然而，过渡金属氧化物与锂离子发生转换反应，在电化学循环过程中存在体积变化，这不可避免地会导致金属氧化物电极的不良循环和速率性能，为了解决这些问题，将铜氧化物与空心立方结构相结合，成为一种有效途径。

CN111193012A提供了一种中空多孔氧化亚铜-氧化铜-三氧化二铁立方体锂离子电池负极，其中空结构能有效缓解锂离子电池在充放电过程中产生的体积效应，中空结构和壁面的多孔结构能增加锂离子电池负极的比表面积，提供更多的嵌锂活性位点，原位生长避免了材料表面被污染和吸附杂质原子，上述因素综合作用提升了负极的循环稳定性和比容量。但是，该方法及其制备的锂离子电池负极存在以下不足：(1)实验用三维多孔铜骨架作为前驱体价格昂贵，不利于生产成本的降低。(2)该发明氧化铜骨架中含氧化亚铜成分，拉低整体电极材料的理论比容量。

CN103387258A公开了一种氧化亚铜纳米空心球及其合成方法，制备方法包括：1)将铜盐溶解于有机溶剂，控制铜离子浓度为0.01-0.6mol/L；2)将溶液转入到反应容器中，密闭反应容器，然后置于120-200℃的反应环境中，保温反应0.5-8小时，然后自然冷却；3)将所得固体分离后，洗涤干燥得到氧化亚铜纳米空心球。制备的独特空心结构的纳米球具有良好的锂离子电池性能。但是，合成的氧化亚铜理论比容量低(374mAh g^-1)，远低于氧化铜的理论比容量(674mAh g^-1)。

因而，有必要提供一种制备成本低，实验过程简单易操作，绿色环保的负极材料的制备方法，使负极材料具有高的比容量和倍率性能的前提下更有利于大规模工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种负极材料、其制备方法和锂离子电池。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种负极材料，所述负极材料包括纳米级的立方空心结构，所述立方空心结构包括立方体壳层以及空心腔，所述壳层的主要组成为氧化铜。