[发明专利]一种ZnO纳米片/碳海绵柔性复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为ZnO纳米片/碳海绵柔性复合负极材料及其制备方法。本发明的柔性复合负极材料是以多孔自支撑碳海绵为载体、以氧化锌（ZnO）二维纳米片作为锂电池负极活性材料组成的复合材料，其中ZnO负载量高，且大电流密度下循环稳定。本发明制备步骤为：在多孔聚氨酯模板表面原子层沉积ZnO，高温除去有机模板后得到ZnO纳米片，将其配制成ZnO纳米片分散液；将三聚氰胺海绵高温碳化得到碳海绵，将其浸入ZnO纳米片分散液中，干燥后在惰性氛围中高温热处理，即得到ZnO纳米片/碳海绵柔性复合材料；该柔性复合材料可直接制备锂电池负极，无需导电剂和粘合剂。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种锂离子电池用负极材料及其制备方法。

背景技术

提高负极材料的容量以及循环稳定性是满足锂离子电池在包括便携式电子设备中，电动汽车和智能电网等领域的应用的关键 (M. V. Reddy, et al.,Chem. Rev. 2013,113, 5364)。但目前占市场比例最大的石墨负极材料，其容量仅有372 mAh g^-1，能量密度低，限制了其在高能锂电池中的进一步应用。过渡金属氧化物理论容量高，是目前锂离子电池领域研究的热点负极材料之一。氧化锌（ZnO）作为锂电池负极材料，理论容量高（978 mAhg^-1），储量丰富，是具有发展前景的锂电池负极材料之一(S. Shilpa, et al.,J. Mater. Chem.A2015, 3, 5344)。然而ZnO在充放电过程中会产生体积膨胀，引起颗粒破碎及SEI膜过渡生长等现象，造成容量的衰减，因此提高其循环稳定性尤其重要。构筑纳米结构或者与碳材料复合（包括表面包覆碳材料或与具有三维网状结构的碳材料复合）是目前提高循环稳定性的主要方法(G. L. Xu, et al.,Nano Energy2015, 18, 253)。其中具有二维结构的ZnO纳米片，可以通过例如产生褶皱，弯曲等形变释放脱嵌锂产生的应力，可有效缓解材料的粉化，从而提高ZnO的循环稳定性(J. H. Liu, et al.,Adv. Mater.2012, 24,4097.)。

然而目前报道的金属氧化物电极活性物质的负载量1 mg cm^-2，面容量 2 mAhg^-1, 无法满足实际应用要求。增加电极材料的负载量可以提高电极面容量，但对于以金属铜箔为集流体的电极，大的电极材料负载量会使电极增厚，电化学过程将受到电荷传输阻力的限制。且过厚的电极在充嵌锂易从集流体剥落，造成电接触失活(H. J. Peng, et al.,Adv. Energy Mater. 2017, 1700260)。将纳米结构的氧化锌纳入到具有多孔结构的导电碳材料中，可以使电极在高ZnO负载量时表现良好的稳定性和倍率性能(G. M. Zhou,etal., Nano Energy2015, 11, 356.)。这主要是因为：首先，多孔材料具有大的比表面，可以负载更多的活性物质；其次，电子可以直接从多孔结构直接传导至负载在表面的ZnO, 孔状结构也为Li⁺的传输提供了通道，降低了电荷传输阻力；此外多孔结构可以缓解体积膨胀。然而多数多孔碳材料作为集流体，并不具有储锂容量，却占据总电极质量的50%以上，且粘结剂以及导电剂的使用，进一步增加了非活性物质的比例，这极大限制了电池能量密度的提升。所以寻求新型多孔碳材料，使之既能负载较多具有高容量的ZnO纳米片，本身又具备储锂容量，得到稳定且将其与高能量的复合电极显得尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZnO负载量高、循环稳定性好的锂离子电池用负极材料及其制备方法。