一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备得到的锂离子电池负极

摘要

本发明公开了一种镍‑磷‑氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备得到的锂离子电池负极。所述制备方法包括以下步骤：将氯化胆碱和乙二醇混合，加热、搅拌得到低共熔溶剂；再加入阳离子表面活性剂，超声溶解后，依次加入六水合硝酸镍和磷酸二氢钠，超声溶解，得到反应前驱体溶液；将反应前驱体溶液加热回流，经清洗、干燥后即可得到镍磷氧微米球状锂离子电池负极材料，其主要成分为Ni、Ni3P、NiO，并在制备的过程中颗粒进行自组装成粒径为0.1～0.2μm的大尺寸微球材料。其具有优异的电化学性能。

权利要求

1.一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将氯化胆碱和乙二醇混合，加热、搅拌得到低共熔溶剂；

(2)向步骤(1)得到的低共熔溶剂中再加入阳离子表面活性剂，超声溶解后，依次加入六水合硝酸镍和磷酸二氢钠，超声溶解，得到反应前驱体溶液；

(3)将反应前驱体溶液加热回流，经清洗、干燥后即可得到镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料；

所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵；

所述步骤(1)中，加热的温度与时间分别为60～120℃、0.5～2h；

所述步骤(3)中，加热回流的温度为100～350℃，时间为1～5h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯化胆碱、乙二醇、阳离子表面活性剂、六水合硝酸镍、磷酸二氢钠之间的物质的量之比为1：0.5～4：0.05～0.4：0.01～1.2：

0.01～1.2。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氯化胆碱、乙二醇、阳离子表面活性剂、六水合硝酸镍、磷酸二氢钠之间的物质的量之比为1：1.5～2.5：0.09～0.25：0.014～

0.025：0.012～0.05。

4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于，所述六水合硝酸镍与磷酸二氢钠的物质的量之比为1:2～10。

5.一种锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：a.将铜箔清洗后称重；

b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照权利要求

1中的制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为90～95:1～3:2～8混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到的铜箔上，真空干燥，制得电极片；

d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，压制成型，然后在氩气的手套箱中组装扣式半电池。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤d中，压制成型的压力为8～

12MPa。

说明书

一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制

备得到的锂离子电池负极

技术领域

[0001] 本发明涉及锂离子电池电芯材料领域，具体涉及一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备得到的锂离子电池负极。

背景技术

[0002] 随着动力锂离子电池的快速发展，动力锂离子电池负极材料受到广泛的关注。传统的锂离子动力电池用负极材料的容量低、循环性能和倍率性能比较差、且存在着安全问题。

[0003] 石墨、硬碳、软碳等碳材料是目前商业化锂离子电池的主要负极材料。但这些碳材料的储锂性能较差，导致了较低的充放电容量，在很大程度上，限制了锂离子动力电池的性能。过渡金属磷化物由于其较低的极化率与较高的循环稳定性收到广泛的关注。其中纳米结构的Ni-P合金基于其可控尺寸和大小的微观结构，展现出优异的电磁学，电子学和光学性能，是一种很有前景的锂离子电池负极材料。

[0004] 金属磷化物可以从溶剂热过程，过渡金属磷化物的还原过程，金属或金属氧化物的磷化过程，金属配合物的分解过程，溶液相的沉淀过程，和有机金属试剂和磷化氢的反应过程获得。纳米结构的Ni-P合金一般需要模板来协助其纳米结构的形成，常用的模板为Al/Al2O3模板。此方法的合成步骤较为繁琐，制备工艺较为复杂，不适于工业化生产。此外，以传统的湿化学法制备Ni-P合金时，往往需要较高的温度，反应溶剂一般为水溶液，也使得反应要在高压下才能进行。此方法不仅步骤繁琐，而且苛刻的反应条件对设备有比较高的要求，同时也存在一定的安全隐患。

[0005] 公开号为CN 104190921A的中国专利公开了一种Au/Ni12P5核壳结构纳米粒子的制备方法，该方法以Au-Ni哑铃结构为前驱体，添加三苯基膦高温反应后，制得Au/Ni12P5核壳材料。该材料是一种具有单晶半导体壳层的金属-半导体核壳结构的纳米材料，具备很好的稳定性和电容性能，但其制备步骤繁琐，以Au纳米材料为前驱体，成本高昂，不利于规模化生产。

[0006] 由于离子液体具备较高的热稳定性和较低的蒸气压，可以在常压下进行高温(大于100℃)反应。离子液体既可以作为反应溶剂，又可以作为模板，消除了溶剂与模板之间的相互影响，因而广泛应用于纳米材料的合成过程。公开号为CN 102623679 A的中国专利公开了一种温和的Ni-P合金材料的制备方法，此方法中，以一种低共熔溶剂作为反应溶剂和模板，以六水合硝酸镍和磷酸二氢铵作为镍源和磷源，得到了一种核壳结构的Ni-P合金材料。该材料表现出了较好的电化学性能，但该纳米材料的振实密度较低，不利于其性能的发挥。

发明内容

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备得到的锂离子电池负极。

[0008] 本发明采取的技术方案为：

[0009] 一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0010] (1)将氯化胆碱和乙二醇混合，加热、搅拌得到低共熔溶剂；

[0011] (2)向步骤(1)得到的低共熔溶剂中再加入阳离子表面活性剂，超声溶解后，依次加入六水合硝酸镍和磷酸二氢钠，超声溶解，得到反应前驱体溶液；

[0012] (3)将反应前驱体溶液加热回流，经清洗、干燥后即可得到镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料。

[0013] 所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵。

[0014] 所述氯化胆碱、乙二醇、阳离子表面活性剂、六水合硝酸镍、磷酸二氢钠之间的物质的量之比为1：0.5～4：0.05～0.4：0.01～1.2：0.01～1.2；优选为1：1.5～2.5：0.09～0.25：0.014～0.025：0.012～0.05。

[0015] 所述六水合硝酸镍与磷酸二氢钠的物质的量之比优选为1:2～10。

[0016] 所述步骤(1)中，加热的温度与时间分别为60～120℃、0.5～2h。

[0017] 所述步骤(2)中，超声溶解的时间为0.5～3小时。

[0018] 所述步骤(3)中，加热回流的温度为100～350℃，时间为1～5h。

[0019] 所述步骤(3)中，清洗为交替进行醇洗和水洗，所述的醇优选为乙醇；干燥为在40～80℃干燥3～13h。

[0020] 本发明还提供了一种根据上述制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，所述材料的成分中Ni、Ni3P和NiO三者的摩尔比为1：1～3：0.5～2组成，其粒径为0.1～0.2μm。

[0021] 本发明还提供了一种锂离子电池负极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0022] a.将铜箔清洗后称重；

[0023] b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照上述制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为90～95:1～3:2～8混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

[0024] c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到铜箔上，真空干燥，制得电极片；

[0025] d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，压制成型，然后在氩气的手套箱中组装纽扣式半电池。

[0026] 所述步骤c中，真空干燥的温度为100～120℃。

[0027] 所述步骤d中，压制成型的压力为8～12Mpa。

[0028] 本发明提供的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法中，以氯化胆碱和乙二醇加热溶解之后形成的低共熔溶剂为溶剂，十二烷基三甲基溴化铵为软模板，以六水合硝酸镍和磷酸二氢钠为镍源和磷源，通过常压高温回流，让颗粒进行自组装，进而得到一种粒径为0.1～0.2μm的大尺寸核壳结构的Ni-P-O微球材料。

[0029] 本发明中核壳结构的生成主要依赖于阳离子表面活性剂和低共熔溶剂的协同作用，镍源的不同选择也会导致不同的核壳结构。六水合硝酸镍中的硝酸根阴离子会干扰氯化胆碱中的氯离子体系的稳定性，使氯离子的平衡系统打破。硝酸根比氯离子的离子半径要大，在溶剂中的迁移率较低，可以增大Ni2+和Ni-P粒子表面的H2PO2-的接触几率，加快成核速率，最终形成微米球状的复合结构。此外，本发明所采用的磷酸二氢钠原料具有较高的热稳定性，在合成过程中参与反应更加稳定，使实验的制备过程具有可控性。

[0030] 与现有技术相比，本发明具备以下优点：

[0031] 1.镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备过程简单，条件温和可控；所使用的原料均为常用化学物质，且价格低廉，由这些原料制备得到的负极材料的产率较高；

[0032] 2.镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为粒径为0.1～0.2μm的核壳结构，壳的厚度为3nm；

[0033] 3.镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料主要由Ni，Ni3P，NiO组成，其摩尔比例为1:1～3:0.2～1；

附图说明

[0034] 图1是实施例1中的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的XRD测试图；

[0035] 图2是实施例1中的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料扫描电镜图；

[0036] 图3是实施例2中的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料透射电镜图；

[0037] 图4为实施例3中的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的高分辨透射电镜图；

[0038] 图5为以实施例4中镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为原料制备得到的纽扣式半电池的充放电曲线图。

具体实施方式

[0039] 实施例1

[0040] 一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0041] (1)将50g氯化胆碱与44.6g乙二醇加入50ml的三口烧瓶中，在80℃下搅拌1小时，得到低共熔溶剂；

[0042] (2)再加入22g十二烷基三甲基溴化铵，超声溶解，然后加入1.45g六水合硝酸镍与1.06g磷酸二氢钠，超声1小时使其溶解，得到反应前驱体溶液；

[0043] (3)将反应前驱体溶液在150℃下回流3小时，当颜色由浅绿变为黑色时，停止回流，冷却至室温，高速离心分离沉淀物，并交替用去离子水与乙醇冲洗三次，最后，将沉淀物放入60℃的干燥箱中，干燥6小时，得到黑色固体粉末即为镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，对材料进行高温结晶化后，再经XRD测试，测试结果如图1所示。通过初步定量分析可知，其成分主要由Ni、Ni3P、NiO按摩尔比为1:2.5:2组成。

[0044] 本实施例制备镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的扫描电镜如图2所示，可知，其为粒径大小在0.1～0.2μm之间的球形材料。

[0045] 以本实施例得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为原料之一，制备锂离子电池负极，具体步骤为：

[0046] a.将铜箔置于乙醇中超声3-5min，然后将铜箔置于丙酮溶液中超声3-5min，接着用去离子水清洗，干燥并称重；

[0047] b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照权利要求1中的制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为90:2:8混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

[0048] c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到铜箔上，100～120℃真空干燥，制得电极片；

[0049] d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，在8～12Mpa的压力下压制成型，然后在氩气的手套箱中组装纽扣式半电池。

[0050] 对其进行充放电测试，充放电电压范围为0.02～3.0V，测试环境温度为室温25℃，充放电电流为50mA/g，经50次循环测试，其电池容量维持在300mAh/g以上。

[0051] 实施例2

[0052] 一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0053] (1)将50g氯化胆碱与44.6g乙二醇加入50ml的三口烧瓶中，在100℃下搅拌1小时，得到低共熔溶剂；

[0054] (2)再加入22g十二烷基三甲基溴化铵，超声溶解，然后加入1.45g六水合硝酸镍与0.53g磷酸二氢钠，超声0.5小时使其溶解，得到反应前驱体溶液；

[0055] (3)将反应前驱体溶液在120℃下回流3小时，当颜色由浅绿变为黑色时，停止回流，冷却至室温，高速离心分离沉淀物，并交替用去离子水与乙醇冲洗三次；最后，将沉淀物放入60℃的干燥箱中，干燥3小时，得到黑色固体粉末即为镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，经XRD，其成分主要由Ni、Ni3P、NiO按摩尔比为1:1.5:1.2组成。

[0056] 本实施例制备的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，其透射电镜如图3所示，可知，所得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为核壳结构，粒径大小在0.1～0.2μm之间。

[0057] 以本实施例得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为原料之一，制备锂离子电池负极，具体步骤为：

[0058] a.将铜箔置于乙醇中超声3-5min，然后将铜箔置于丙酮溶液中超声3-5min，接着用去离子水清洗，干燥并称重；

[0059] b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照权利要求1中的制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为92:1:7混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

[0060] c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到铜箔上，100～120℃真空干燥，制得电极片；

[0061] d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，在8～12Mpa的压力下压制成型，然后在氩气的手套箱中组装纽扣式半电池。

[0062] 对其进行充放电测试，充放电电压范围为0.02～3.0V，测试环境温度为室温25℃，充放电电流为50mA/g，经50次循环测试，其电池容量维持在310mAh/g以上。

[0063] 实施例3

[0064] 一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0065] (1)将50g氯化胆碱与44.6g乙二醇加入50ml的三口烧瓶中，在80℃下搅拌1小时，得到低共熔溶剂；

[0066] (2)再加入11g十二烷基三甲基溴化铵，超声溶解，然后加入2.18g六水合硝酸镍与1.06g磷酸二氢钠，超声1小时使其溶解，得到反应前驱体溶液；

[0067] (3)将反应前驱体溶液在100℃下回流1.5小时，当颜色由浅绿变为黑色时，停止回流，冷却至室温，高速离心分离沉淀物，并交替用去离子水与乙醇冲洗三次，将沉淀物放入60℃的干燥箱中，干燥6小时，得到黑色固体粉末即为镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，经XRD，其成分主要由Ni、Ni3P、NiO按摩尔比为1:2:1.5组成。

[0068] 本实施例制备的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，其高分辨透射电镜图如图4所示，可知，所得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为核壳结构，壳的厚度为3nm。

[0069] 以本实施例得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为原料之一，制备锂离子电池负极，具体步骤为：

[0070] a.将铜箔置于乙醇中超声3-5min，然后将铜箔置于丙酮溶液中超声3-5min，接着用去离子水清洗，干燥并称重；

[0071] b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照权利要求1中的制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为93:2:5混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

[0072] c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到铜箔上，100～120℃真空干燥，制得电极片；

[0073] d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，在8～12Mpa的压力下压制成型，然后在氩气的手套箱中组装纽扣式半电池。并对其进行充放电测试。充放电电压范围为0.02～3.0V，测试环境温度为室温25℃，充放电电流为50mA/g，其电池容量维持在290mAh/g以上。

[0074] 实施例4：

[0075] 一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0076] (1)将50g氯化胆碱与44.6g乙二醇加入50ml的三口烧瓶中，在80℃下搅拌1小时，得到低共熔溶剂；

[0077] (2)再加入22g十二烷基三甲基溴化铵，超声溶解，然后加入2.18g六水合硝酸镍与1.59g磷酸二氢钠，超声1小时使其溶解，，得到反应前驱体溶液；

[0078] (3)将反应前驱体溶液在120℃下回流3小时，当颜色有浅绿变为黑色时，停止回流，冷却至室温，高速离心分离沉淀物，并交替用去离子水与乙醇冲洗三次。最后，将沉淀物放入100℃的干燥箱中，干燥8小时，得到黑色固体粉末即为镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料，经XRD测试，其成分主要由Ni、Ni3P、NiO按摩尔比为1:3:2组成。

[0079] 以本实施例得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料为原料之一，制备锂离子电池负极，具体步骤为：

[0080] a.将铜箔置于乙醇中超声3-5min，然后将铜箔置于丙酮溶液中超声3-5min，接着用去离子水清洗，干燥并称重；

[0081] b.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配制80～200mg/ml的聚偏二氟乙烯溶液，将按照权利要求1中的制备方法制备得到的镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料、炭黑、聚偏二氟乙烯溶液按质量比为95:2:3混合，研磨使其混合均匀，得到电极浆料；

[0082] c.将电极浆料均匀涂布于步骤a得到铜箔上，100～120℃真空干燥，制得电极片；

[0083] d.将电极片用步骤a得到的铜箔上下包住，放于模具中，在8～12Mpa的压力下压制成型，然后在氩气的手套箱中组装纽扣式半电池。并对其进行充放电测试。充放电电压范围为0.02～3.0V，测试环境温度为室温25℃，充放电电流为50mA/g，测试结果如图5所示，从图5可以看出经50次循环测试，其电池容量维持在290mAh/g以上。

[0084] 上述参照实施例对一种镍-磷-氧复合锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备得到的锂离子电池负极进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。