[发明专利]一种用于锂离子电池的铝酸锌多孔碳基类负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池的铝酸锌固溶体多孔碳基类负极材料及其制备方法，所述负极材料的活性物质为ZnAl₂O₄/C。解决锂离子电池普遍存在的库伦效率低、循环稳定性差、比容量低以及一定程度的安全隐患等问题。可将此ZnAl₂O₄/C复合材料直接作为锂离子电池负极。用本发明提供的锂离子电池具有高安全性、高库伦效率、良好的循环稳定性以及优越的倍率性能等优点，因此，ZnAl₂O₄/C作为锂离子电池负极材料具有很大的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于可充电电池材料领域，具体涉及一种用于锂离子电池的铝酸锌固溶体多孔碳基类负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，能源短缺和环境污染是威胁人类生存的两个主要挑战。一直以来，化石燃料是满足人类能源需求的主要来源，但是，由于一氧化二氮、甲烷、二氧化碳和其他含有挥发性有机化合物的气体的排放，这些资源正在迅速枯竭，通常会导致环境问题，如空气污染和全球变暖。因此，必须开发可再生和清洁能源来替代化石燃料，风能、太阳能和潮汐能是清洁能源的不错选择。但是，它们通常受到自然条件和间歇性不确定性的限制。因此，可利用电化学储能装置来有效地解决这一问题。

金属氧化物是目前被研究最多的储能设备电极，例如SnO₂，Fe₃O₄，MnO₂，ZnO等，由于其具备较高的理论容量而备受瞩目。其中，ZnO因具有978 mAh/g的高理论比容量，是传统石墨(372 mAh/g)的1.6倍，低成本和环境友好性，引起了广泛的研究兴趣。但是，在循环过程中，ZnO的低电导率导致的严重极化和大的体积变化导致的不可逆结构退化，使得ZnO电极出现极大的容量损失。为了克服这些缺陷，一般通过制备纳米级ZnO颗粒，缩短离子的扩散距离，以及结合导电材料(碳纳米管或石墨烯)，缓冲体积膨胀，提高循环稳定性。但是，ZnO电极在实际应用中仍存在局限性。近年来，有大量文献报道，将Al₂O₃作为涂层应用在锂离子电池中，不仅可以用作预先形成的SEI膜，以减少后续循环中SEI膜的再生和锂离子的消耗，而且Al₂O₃具有优异的弹性刚度和机械强度，可减轻在循环过程中活性物质的体积变化以及防止电化学活性纳米粒子的聚集，从而保持电极纳米材料的结构完整性，同时，Al₂O₃还可以减少电极与电解液之间的副反应，稳定负极材料结构。

目前，引入铝盐，形成双金属混合的氧化物，应用在锂离子电池负极中，很少被报道。因此，本发明采用操作简单、绿色环保的常温合成方法制备ZnAl₂O₄/C复合材料，并首次应用在锂离子电池负极中，ZnAl₂O₄固溶体在首次充放电过程中，发生氧化还原反应产生ZnO和Al₂O₃，为之后的充放电循环提供高比容量和强的机械强度，改善锂离子电池电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有锂离子电池负极材料存在的问题，解决钾离子电池普遍存在的库伦效率低、容量衰减快、比容量低以及安全性低等问题。因此，开发了一种适用于锂离子电池的多孔ZnAl₂O₄/C负极材料，该材料具有高安全性、容量衰减慢、倍率性能优异以及库伦效率高等优点。

为达到的上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

所述负极材料ZnAl₂O₄/C具体制备方法步骤包括：