[发明专利]一种用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，该方法以Zn(CH₃COO)₂与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料，通过静电纺丝技术获得纳米纤维膜，将其在惰性气氛下灼烧后获得的氧化锌/碳复合材料的形貌为氧化锌纳米纤维与链状碳相互交错形成三维网状立体结构，从而能够克服氧化锌导电性差、体积膨胀效应严重的问题，改善氧化锌作为锂离子电池负极材料比表面积小、制备周期长、导电性差等缺陷，从而在整体上提高锂离子电池的电化学性能和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池制备的技术领域，具体地涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法。

技术背景

随着便携式电子设备和混合电动车的发展，对具有高能量高功率的电池需求日益迫切，激发了大批的科研人员投入到锂离子电池负极材料的探索和研究。石墨是目前商业化应用最广泛的锂离子电池的负极材料。然而，石墨的理论容量只有375mAh/g，逐渐不能满足当今社会对电池的应用要求，特别是动力能源的高比容量需求。相比于石墨，ZnO储存相当丰富，且具有较高的理论容量(988 mAh/g)，被认为是一个有前途的锂离子电池负极材料。此外，Zn和Li的合金化/去合金化发生在合适电极电势0~0.5 V范围，避免了充放电过程中锂晶枝的形成，因此能有效提高电池的安全性能。但由于氧化锌导电性差，并且在充放电过程中形成ZnLi合金而使体积膨胀，严重影响氧化锌负极材料的电化学性能。

为了解决锂离子电池的上述缺点，近年来，科研工作者致力于制备特殊形貌结构的微纳米氧化物负极材料，和改善负极材料的锂离子脱嵌。纳米材料逐渐应用到锂离子电池当中，如纳米复合材料、纳米金属材料等作为锂电池电极嵌入材料。活性纳米材料具有孔隙率高、比表面大、锂离子嵌入脱出深度小、行程短的特性，使电极在大充放电流的情况下，极化程度极小，可提高逆容量，延长使用寿命。另外，纳米材料具有高孔隙率的特点有利于有机分子自由移动，同时也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间，进一步提高了能量密度和嵌锂容量。

例如: 王洪波（Wang H, Pan Q, Cheng Y, et al. Evaluation of ZnO nanorodarrays with dandelion-like morphology as negative electrodes for lithium-ionbatteries[J]. Electrochimica Acta, 2009, 54(10):2851-2855.）采用水热法，在铜箔基体上制备获得具有蒲公英结构的ZnO薄膜，应用于锂离子电池，其性能优于块体ZnO电极。ZnO薄膜的首次充放电容量分别为980 mAh/g和1461 mAh/g。在0.1 mA/cm²电流密度下，经过40次的充放电循环之后，其充放电容量仍高于310 mAh/g。Liu等人（请给出参考文献著录内容Liu J, Li Y, Huang X. ZnO nanoneedle arrays directly grown on bulk nickelsubstrate for li ion battery electrodes with improved performance[C]// IEEEInternational Nanoelectronics Conference. IEEE, 2008:53-57.）在较低温度下（70℃）实现在镍衬底上制备了一维ZnO纳米针阵列，在200 mAh/g电流密度下，ZnO负极材料的初始放电量为1219 mAh/g，经10次循环后，其放电容量仍可维持在495 mAh/g。与无序ZnO粉末相比，ZnO纳米材料具有更高的容量，更好的循环性能。CN104022268A报道了一种锂离子电池用氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，通过所述方法将氧化石墨烯与金属盐混合溶液先后进行酸碱调节、水热反应以及惰性气氛煅烧后得到氧化锌/石墨烯复合材料。制备的氧化锌/石墨烯复合材料作为锂电池的负极材料，能够克服氧化锌导电性差、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、导电性强的特点。但是上述技术普遍存在的缺点是：制备工艺繁琐复杂，生产周期长；氧化锌在石墨烯上分散不均匀，容易导致团聚；复合材料比表面积小、难控制其微观形貌，从而导致复合材料的循环稳定性、电化学性能较差，影响其在锂离子电池中的广泛应用。