[发明专利]一种纳米碳包覆氧化锌复合材料的制备方法及电极的制备方法

说明书

本发明提供了一种纳米碳包覆氧化锌复合材料的制备方法及电极的制备方法，其中，包括：一种纳米碳包覆氧化锌复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1）前驱体纳米金属有机框架bio‑MOF100的制备：步骤2）纳米碳包覆氧化锌的制备：本发明还提供了一种电极的制备方法，基于上述所述的纳米碳包覆氧化锌复合材料制备。本发明以纳米金属有机框架为模板制备纳米碳包覆氧化锌复合物，有效的缓解氧化锌充放电过程中的体积膨胀和团聚，提高电极的循环稳定性。

技术领域

本发明属于纳米碳包覆氧化锌复合材料制备技术领域，具体涉及一种纳米碳包覆氧化锌复合材料的制备方法及电极的制备方法。

背景技术

全球环境污染与能源危机的日趋严重，由此带来的巨大环境污染和温室效应问题的日益突出，人类迫切需要发展新的绿色可再生能源来代替目前的能源供应体系。其中包括：开发和设计更加环保的电动汽车和混合动力汽车，实现CO2的零排放或小排放；大力开发新的可再生能源，如风能、太阳能和潮汐能等能源应用形式。这些领域的发展，都需要高效的能源储存体系，相比传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池等二次电池，锂离子电池具有开路电压高、能量密度高、使用寿命长、安全性能优越、环境友好、自放电小等优点，而被认为是现代材料和新能源科学的经典能源。以电池和超级电容器为代表的电化学储能体系，在发电系统和供电网络方面，不仅能够有效地储存和传输能源，而且能够起到有效利用电能，弥补供需差别的作用。但是，随着混动汽车、电动汽车以及其它大型用电设备的迅猛发展，锂离子电池也面临着更多的挑战，提高容量、实现快速充放电、降低成本以及增强安全性等成为近年来科研人员探究的主要方向。现行商业化的锂离子电池存在能量密度偏低，成本偏高等问题，远不能满足人们的需求。电极材料(尤其是负极)是限制锂离子电池容量的关键因素之一，所以，研发新型负极材料具有非常重大的意义。

氧化锌具有特殊的物理化学性能，如化学稳定性高、电化学耦合系数大、辐射吸收范围广以及耐光性强等，是良好的多功能材料，可运用于多个领域。与其他材料相比，氧化锌具有理论比容量高、成本低、制备容易以及化学稳定性高等优点，是非常具有应用前景的负极材料之一。然而由于氧化锌在充放电过程中所引起的体积膨胀使得其作为锂离子电池负极材料的比容量随着快速衰减，通过设计制备复合材料，选用合适的材料与过渡金属氧化物进行复合，可缓冲其锂化过程中的体积膨胀，是一种有效提高电极材料的结构稳定性和导电性，从而提高材料循环稳定性的方法。

金属有机框架化合物（MOFs）作为一种新型的多孔材料，具有更高的比表面积和可调的孔结构、孔环境，使得MOFs在荧光、传感、气体吸附分离、催化等领域都具有广泛的潜在应用。近年来，基于MOFs为载体、模板或者前驱物制备的复合材料在锂离子电池、锂硫电池、超级电容器等电化学储能领域都显示出比传统方法更加优异的性能。由于MOFs本身具有的多孔性、结构可调等特点，以MOFs为模板或者前驱体制备的碳包覆金属氧化物展现出了优于传统制备方法的诸多特点。一方面由于MOFs具有较大的比表面积、有机配体丰富多样等特点，在锻烧的过程中会放出大量的气态小分子，因此最终得到的样品具有较大的比表面积，甚至会得到弹性结构粒子。另一方面，MOFs中金属元素的均匀分布使得氧化物可以均匀的被包覆在多孔碳中。

普通氧化锌是半导体材料，在常温下具有较高的禁带宽度3.37 e V。其电子电导率低，电荷转移电阻和欧姆电阻较大，导致材料的动力学活性较差，大倍率充放电性能不理想。同时，在充放电过程中，氧化锌和锌的转化反应以及金属锌与锂的合金化反应会造成材料较大的体积效应(163%)和极端的形貌变化，使得氧化锌发生粉化、脱落，丧失了与集流体间的联系，并且还会不断形成新的表面，持续消耗锂离子，造成容量快速衰减。锂化过程中生成的Li2O可逆性较差，消耗了大量锂源，致使首次不可逆容量损失严重；并且氧化锌被还原后得到的锌簇易产生团聚，严重影响后续的合金化过程。这些缺点使得氧化锌材料难以成为工业化生产和商业化推广的电极材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供了一种纳米碳包覆氧化锌复合材料的制备方法及电极的制备方法。