[发明专利]一种碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维‑氧化锌纳米棒复合材料及其制备方法和应用。本发明采用磁控溅射与水热相结合的方法，在无需模板辅助纳米棒成型生长的情况下，可以使氧化锌纳米棒均匀生长在碳布基底上。且使得到的氧化锌纳米棒呈现六方纤锌矿结构，长度为1～3μm，尺寸均匀；将所述碳纤维‑氧化锌纳米棒复合材料可直接作为负极材料的集流体，氧化锌纳米棒直接生长在碳纤维上，与碳纤维基底接触良好，无需额外粘结剂及导电添加剂，简化了电池制备的工艺流程。所制备的复合材料用作锂离子电池负极材料时表现出较高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于锂离子电池具有比容量高、循环寿命长、容量密度高及绿色环保等优点而被广泛应用于便携式数码电子设备以及动力汽车等行业中。随着人们对能源需求的逐渐提高，对锂离子电池的比容量以及倍率性能的要求也逐渐提高。然而，现有的锂离子电池技术在能量密度以及比容量方面正在达到它的极限。为了提高锂离子电池的容量，人们一直在寻找更高容量的电极材料。过渡金属氧化物由于其较高的理论比容量而引起了科研工作者的广泛关注。

氧化锌是一种n型半导体材料，具有来源广泛、形貌多样和环境友好等优点，在电、磁、催化等领域具有广泛的应用。此外，由于其较高的理论比容量(978mA·h/g)以及比其他金属氧化物更大的锂离子扩散系数，使其在锂离子电池负极材料领域也显示出巨大的应用前景。然而，锂离子嵌入过程中产生大体积变化而引起的材料的粉化以及氧化锌本身较差的导电性限制了其循环性能和倍率性能[Xie Q,Ma Y,Wang X,et al.ElectrostaticAssembly of Sandwich-Like Ag-C@ZnO-C@Ag-C Hybrid Hollow Microspheres withExcellent High-Rate Lithium Storage Properties[J].ACS Nano,2015,10(1):1283]。为了解决上述问题，研究者们通常通过减小氧化锌纳米结构的尺寸来缓解锂离子嵌入和脱出过程中的体积变化，从而来提高其电化学性能。

在氧化锌各种纳米结构的制备方法中，最常见的为沉淀法、溶胶凝胶法以及水热法。沉淀法是在可溶性锌盐溶液中加入沉淀剂，在一定的条件下生成沉淀从溶液中析出，经热分解后得到纳米结构的氧化锌。溶胶凝胶法则是使锌盐在分散剂中经水解反应形成活性单体，然后活性单体在聚合成溶胶，进而形成凝胶，干燥和热处理之后得到纳米氧化锌。水热法则是将可溶性锌盐和碱溶液混合形成氢氧化锌的“沉淀反应”与氢氧化锌脱水形成氧化锌的“脱水反应”相结合而制备出氧化锌纳米结构。相比之下，直接沉淀法操作简单易行，对设备和技术等要求不高，不易引入杂质。但是制备出产物的粒子粒径分布较宽且分散性很差。而溶胶凝胶法则可以制备出粒径分布较为均匀的产品。但上述两种方法制备出的产品还需高温煅烧来提高其结晶性，使得工艺流程相对复杂，且产物在形貌上也难以控制。水热法制备氧化锌纳米结构的工艺相对简单，不需要高温焙烧处理，可直接得到结晶完好、粒度分布窄的样品。三种方法制备出的氧化锌纳米粉体可用作锂离子电池负极材料，但粉体材料在电极制备过程中需要与粘结剂、导电添加剂等混合，粉体的碾磨及浆料的混合流程相对复杂，增加了电池制作的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料及其制备方法和应用，利用本发明所述的制备方法制备得到的碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料可直接作为锂离子电池负极材料而无需其他任何添加剂，且所述碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料作为锂离子电池负极材料时比容量较高且循环性能稳定。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳纤维-氧化锌纳米棒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

采用磁控溅射，在导电碳布的表面溅射氧化锌籽晶层，得到带有氧化锌籽晶层的导电碳布；