[发明专利]一种铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料及制备和应用

说明书

本发明是一种铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料的制备及其在锌镍二次电池负极应用的通用方法。本发明使用水热合成法将铟元素掺杂进入氧化锌晶格取代部分锌元素的位置，同时在这个过程中将铟掺杂氧化锌担载于还原氧化石墨烯的片层上。通过铟元素掺杂能够增加氧化锌中自由电子的数量从而可以增加载流子浓度，因而可以增强材料导电性。生成的复合材料具有均匀片状结构，同时展示了非常优异的电化学性能。由于原料使用的是乙酸锌、柠檬酸钾、尿素和少量氯化铟及少量氧化石墨等，原料来源广泛，价格便宜，而且这种电极材料制备工艺简单可控，设备简易，是一种易于进行大规模生产的方法。

技术领域

本发明涉及一种铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料的制备及其作为锌镍二次电池负极的应用，属于无机纳米材料及电化学领域。

背景技术

锌镍二次电池是一种以锌/氧化锌作为负极，氢氧化镍/羟基氧化镍为正极的二次电池，具有比能量较高,安全性好且价格便宜的特点。基于上述优点，锌镍二次电池未来有望应用于小型电动车的动力电源，启动电源等，同时也非常有可能替代目前使用有毒铅化合物的铅酸电池。因此锌镍二次电池及其电极材料的研究日益受到人们的关注。

目前，锌镍二次电源研究遇到的主要问题是电池寿命较短，原因主要是锌负极存在枝晶生长及变形等问题，从而造成活性物质利用率降低，电池容量快速衰减。因此，探索具有高比容量和长循环寿命的负极材料是目前锌镍二次电池的研究重点。目前，锌镍二次电池负极材料研究主要集中在针对放电态活性物质氧化锌的改性研究上，改性采用的常用方法包括复合法，如氧化锌与聚吡咯复合，通过增强材料导电性及抑制氧化锌的溶解，进而提高材料的放电比容量及循环稳定性；形貌及粒径控制也是常用的方法，如纳米氧化锌制备等，通过将合成的氧化锌材料的粒径控制到纳米极，使其外延生长而不是枝晶生长，从而增强其循环寿命；同时，小粒径的氧化锌具有较大的比表面积，有利于增大它与电解液的接触面积，从而降低电极极化，有利于增大放电比容量。

发明内容

本发明的目的是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯锌镍二次电池负极材料及其制备方法。通过使用水热合法，将与锌原子具有相近原子半径的铟原子掺杂进入氧化锌晶格中来取代部分锌元素的位置，增加氧化锌基体中自由电子的数量来增加载流子浓度，从而增强材料导电性；通过金属锌与氧化石墨表面上含氧官能团之间的相互作用，使氧化锌担载于还原氧化石墨烯表面上，进一步增强材料导电性，同时还原氧化石墨烯能够抑制氧化锌在电解液中的溶解，从而抑制锌负极的枝晶生长及电极变形，最终得到了一种具有高比容量及长循环寿命的锌镍二次电池负极材料。

一种铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料，其特征在于：所述氧化锌为纤锌矿氧化锌；通过水热合成法使铟取代氧化锌晶格中部分锌的位置；并且使所述铟掺杂氧化锌担载于石墨烯片层上。

所述铟元素与锌元素的原子比为0.01:1～0.1:1；所述还原氧化石墨烯的质量占复合材料总质量的2％～25％。

通过控制水热反应的时间，使合成的铟掺杂氧化锌复合氧化石墨烯材料中铟掺杂氧化锌的粒径约为10～20纳米，并且担载于面积约几百纳米的片状还原氧化石墨烯片上。这种结构拥有大的比表面积，有利于活性物质与电解液之间的充分接触，从而可以降低电极极化；同时，还原氧化石墨烯可以抑制氧化锌溶解到电解液中，从而可以减少枝晶生长和电极变形，因而可以延长电池的循环寿命。

所述铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料，其中复合的还原氧化石墨烯的厚度为4～5纳米。

所述铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料的制备，其中关键在于控制水热反应的时间，控制铟元素的掺杂量及复合的还原氧化石墨烯的使用量，具体制备步骤如下：

步骤一，铟掺杂氧化锌复合还原氧化石墨烯材料的制备