[发明专利]一种锂离子电池负极薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微型锂离子薄膜电极的技术领域，具体涉及采用静电喷雾法（ESD）制备尖晶石型复合金属氧化物ZnMn₂O₄微型锂离子电池负极薄膜。

背景技术

随着近年来移动电子设备的飞速发展，与电子产品相匹配的小型化长寿命电源的研究越来越受到重视，锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度大、无记忆效应的优点而备受关注。为了研制大容量的锂离子电池，负极材料的选择尤为重要。当前商用的锂电池的负极材料一般为石墨，但其比容量只有375 mAh g^-1左右，难以满足未来高容量电池的应用。因此，寻找新型的高比容量，低成本锂离子电池负极材料变得非常迫切。

美国的 《应用材料与界面》（ACS Applied Materials Interfaces 3 (2013) 11321-11328）介绍了使用合成ZnMn₂O₄纳米管阵列薄膜的方法制备锂离子电池负极材料，该方法工艺繁琐，首先要利用水热法获得ZnO纳米棒阵列，然后再以ZnO纳米棒阵列为模板并结合离子交换法制备ZnMn₂O₄纳米管阵列薄膜。

荷兰的《电化学学报》（Electrochimica Acta 121 (2014) 15-20）介绍了使用静电喷雾装置制备了锂离子电池负极材料MnO薄膜。荷兰的《胶体与表面：物理化学与工程》（Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 468 （2015）17-21）介绍了使用静电喷雾装置制备了锂离子电池负极材料ZnO/还原氧化石墨复合结构薄膜。但到目前为止，未见使用静电喷雾沉积法制备锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种性能良好的用于锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜及其制备方法。

本发明的锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜，具有三维网状结构特征。

所述的基片材料为多孔泡沫镍，或多孔泡沫铜，或铜箔、不锈钢片等。

本发明利用静电喷雾法合成锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜，具体技术方案如下：

步骤(1). 将醋酸锌、醋酸锰按醋酸锌：醋酸锰=1:2摩尔比混合，溶解在由乙醇与1,2-丙二醇组成的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为为0.005 mol L^-10.01 mol L^-1的前驱体溶液。

步骤(2). 将前驱体溶液以24 ml h^-1匀速流向喷雾头，喷雾头到基片的距离为23 cm, 控制基片加热温度在230 ^oC260 ^oC，在喷雾头与基片间加直流电压至得到稳定均匀的喷雾，根据所需薄膜的厚度控制喷雾的时间。将得到的样品在氩气气氛下500 ^oC600^{oC退火2 h3 h。}

与现有技术相比，本发明由于采用静电喷雾装置制备薄膜，在常温大气中操作，无需真空和气氛保护等，简化了操作步骤；锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜的厚度由喷雾时间控制，因而薄膜厚度可以任意控制；所制备薄膜材料，可以直接进行电池组装，免去了传统负极粉体材料需要添加粘合剂与导电剂等繁琐步骤，简化了工艺过程。

本发明制备的锂离子电池负极材料ZnMn₂O₄薄膜具有独特的三维网络结构，不仅有利于锂离子的输运扩散，还有利于增强薄膜和基片的连接力，使得电极膜在不断充放电过程中不会从基片上脱落，提升电极的循环性能。

附图说明

图1为实施例1采用的静电喷雾沉积装置结构示意图。

图2为实施例1制得的ZnMn₂O₄薄膜的X射线衍射图。

图3为实施例1制得的ZnMn₂O₄薄膜的扫描电镜图片。