[发明专利]一种锂离子电池负极材料钴酸锌纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法与应用，具体为二维超薄钴酸锌纳米片的制备方法，属于新能源材料制备技术及应用领域。

背景技术

目前锂离子二次电池被广泛应用到各种移动电子产品上，但随着一系列新型电子器件和电动汽车的出现，要求其具有更高的能量密度和功率密度。而其性能主要取决于正负极电极材料，因此开发新型电极材料就成了锂离子电池技术发展的关键。由于具有较高的理论容量、无安全隐患等优点，过渡金属氧化物成为负极材料中研究的热点。然而，大多数过渡金属氧化物在实际应用中都会出现严重的容量衰减问题。最近研究者发现单相多组分、尤其是具有尖晶石结构的过渡金属氧化物能够表现出优良的电化学性能。其中ZnCo₂O₄是一种最具应用前景的候选负极材料，在它的立方尖晶石晶体机构中，二价的锌离子占据了四面体位点，三价的钴离子则位于八面体位点。这种异质离子替换能够在多相金属表面形成多价态，可以降低电子传输势垒，进而提高电子导电性。另外不同于其他多组分过渡金属氧化物，ZnCo₂O₄负极材料可以利用两种不同的电化学反应机理，除了钴元素与锂之间的转化机理外，锌可以与锂进行合金/去合金化反应。这两种反应在电化学储锂中可以共存，且它们之间存在着协同效应，可以共同促进电池性能的提高。然而，ZnCo₂O₄负极材料的长期循环稳定性和高倍率性能仍然有待于进一步提高，合理设计合成具有独特结构的ZnCo₂O₄负极材料仍然是一种亟待解决的问题。

优良的电化学性能取决于高效的电荷传输和质量传递，增强活性材料的表面电化学反应能够进一步提高电极材料的储锂性能。因而，降低材料尺寸合成出主要由表面构成的超薄二维结构材料就成为一种有效途径。其中超薄纳米片拥有足够大的外表面空间，能有效缓解电化学反应过程中的体积膨胀，进而可以增加电极材料的长期循环稳定性。然而，寻找开发一种简单大规模制备ZnCo₂O₄纳米片的方法就成了其在锂离子电池应用中亟待解决的关键问题。利用微波辅助快速合成方法在合成特殊结构的纳米材料中表现出了巨大的优势。相比较大多数传统合成方法，微波辅助合成法是一种新兴、简单、环保的材料合成方法。利用微波的快速选择性均匀加热，能够合成出高质量的纳米结构材料，且适合大规模制备。申请人曾公开了一种微波液相合成类石墨烯二维氢氧化镍纳米材料的方法(中国专利公开号CN103342396A)，所制得的产物形貌均匀。在此基础上，申请人合理设计，借助微波辅助合成出了高质量超薄二维ZnCo₂O₄纳米材料。该方法操作工艺简单、原料易得，适合工业化生产。据申请人所知，至今为止未见报道过利用微波辅助合成二维超薄ZnCo₂O₄纳米材料的方法。所制备的二维超薄ZnCo₂O₄纳米材料可以作为锂离子电池负极材料，且具有良好的电化学性能，是一类具有广泛应用前景的电极材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有过渡金属氧化物基锂离子电池负极材料容量衰减严重，倍率性能差和循环寿命短等技术难题，提供一种基于微波辅助合成的锂离子电池负极材料二维超薄钴酸锌纳米片的制备方法与应用。

本发明的技术方案是：一种锂离子电池负极材料钴酸锌纳米片的制备方法，主要通过可溶性锌盐和钴盐在亲水性溶剂中借助碱性试剂在微波辐照诱导性发生碱性水解反应，生成双金属氢氧化物或碳氢化合物前驱体，然后进行低温热处理，便得到二维超薄ZnCo₂O₄纳米片，最终用作锂离子电池负极材料。

以上所述锌盐原料为：硝酸锌，乙酸锌，氯化锌，硫酸锌，草酸锌中的一种或两种以上的混合盐；所述钴盐原料为：硝酸钴，乙酸钴，氯化钴，硫酸钴中的一种或两种以上的混合盐；所述碱性试剂为：氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾，氨水，尿素中的一种或两种以上的混合碱；所述亲水性溶剂为：高纯水，乙二醇，丙三醇，异丙醇、正丁醇、异丁醇，丙酮，苯，苯乙烯，乙腈中的一种或两种以上的混合溶液。

本发明的技术方案采用以下步骤：

1、将摩尔比为1:2的锌盐和钴盐溶于亲水性溶剂中，磁力搅拌30分钟，待充溶解后，然后按照金属离子与碱性试剂摩尔比为1:(1～8)加入一定量的碱性试剂，混合后继续搅拌10～30分钟。