[发明专利]一种纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法和应用。所述材料以质量百分比计包括：粒径为200～600nm的纳米氧化锌颗粒70％～90％；粒径为10～30nm的金属纳米颗粒5％～20％；无定型碳3％～10％；所述无定型碳包覆在纳米氧化锌颗粒上形成厚度为10～30nm无定型碳包覆层；所述金属纳米颗粒包覆和/或镶嵌和/或贯穿所述无定型碳包覆层。其制备方法包括加入第一碳源，采用溶剂热结合快速冷却技术得到产品。本发明制备工艺简单，所得产品组装成电池后，在1C的倍率下循环240圈，比容量高达565.6mAh g^‑1，库伦效率高达85.8％。通过本发明可以提高锌负极循环稳定性，有利于锌基二次电池的市场化。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料及其制备领域，特别是涉及一种金属纳米复合材料及其制备方法。

技术背景

开发出低成本、绿色环保、安全可靠的新型二次动力电池成为各国目前研究的热点。相比于已经商业化锂离子电池，以锌空、锌镍为代表的水系锌二次电池具有工作电压稳定、能量密度和功率密度高、没有记忆效应等优点，在生产和使用的过程中不会产生有毒物质，易于回收利用。并且锌资源储量丰富，成本比较低，使锌二次电池具有广阔的市场化前景。

目前阻碍锌二次电池市场化应用的原因是锌负极在充放电循环过程存在严重的变形、枝晶生长、析氢腐蚀问题，导致电池的库仑效率较低和循环寿命较短。锌负极发生变形和枝晶生长的根本原因是氧化锌易溶于碱性电解液形成Zn(OH)₄^2-，在反复的充电过程中，电解液中Zn(OH)₄^2-的不均匀沉积会造成电极形变和枝晶的生长，这会降低活性物质的利用率降低。锌负极发生析氢腐蚀的根本原因是锌离子具有较低的还原电势，电解液中的H⁺会优先于Zn(OH)₄^2-放电，特别是在充电后期，产生大量的H₂不仅会使电池库仑效率降低，而且会导致电池内压升高和电解液的渗漏。采用碳包覆氧化锌，证明是一种抑制或减小氧化锌溶解的最有效方法之一，但是目前由于碳材料析氢过电位比较低，难以有效抑制析氢腐蚀，随着充放电的进行，氢气腐蚀会使电池的库仑效率迅速衰减。因此需要制备出一种新材料作为锌负极的活性物质，既能抑制氧化锌在电解中溶解，同时又能高效地抑制析氢腐蚀，实现电池高比容量的稳定循环。

发明内容

针对目前所采用碳包覆氧化锌的方法不能有效地抑制析氢腐蚀，本发明设计并制备出一种纳米复合材料；并将该复合材料用作锌负极活性材料。该纳米材料由无定形碳、金属单质、氧化锌复合成400～600nm的球状颗粒。无定形碳均匀的包覆在氧化锌的表面，厚度10～30nm，量子级金属单质(5～30nm)包覆和/或镶嵌和/或贯穿所述无定型碳包覆层。包覆在氧化锌表面的无定形碳能减小氧化锌在电解液中的溶解，量子级的金属单质可以提高析氢过电位，弥补碳的析氢过电位低的不足，减缓锌负极在充放电过程中的腐蚀速率。同时分布在氧化锌表面的无定形碳能防止金属粒子脱落和团聚，提高金属修饰氧化锌的效果。该材料显示出了较高的循环稳定性，在1C的倍率下循环240圈，平均比容量为565.6mAh g^-1，库伦效率高达85.8％，具有优良的循环稳定性。

本发明纳米复合材料；所述纳米复合材料以质量百分比计包括下述组分：

纳米氧化锌颗粒70％～90％；优选为75～85％；

金属纳米颗粒5％～20％；优选为8～18％；

无定型碳3％～10％；优选为5～8％；

所述无定型碳包覆在纳米氧化锌颗粒上形成无定型碳包覆层；所述金属纳米颗粒包覆和/或镶嵌和/或贯穿所述无定型碳包覆层；

所述纳米氧化锌的粒径为200～600nm；

所述金属纳米颗粒的粒径为10～30nm；所述金属纳米颗粒的析氢电位大于等于20mV；