[发明专利]一种用于锂离子电池的氧化镍/石墨复合纳米材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池的氧化镍/石墨复合纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着能源危机的产生和日益严峻的环境问题，迫切需要一种新型能源代替煤、石油等不可再生能源。可充电锂离子电池可以作为绿色能源的储能载体，引起了人们极大的关注。商业锂离子电池负极材料石墨的理论容量(372mAh g^-1)较低，已经不足以满足日益增长的能量需求，因此寻找具有价格低廉，循环寿命长，高的能量密度，高的可逆容量，优良的倍率性能和循环稳定性等优点的锂离子电池负极材料显得尤为重要。

过渡金属氧化物(M_xO_y,M:Fe,Co,Ni,Mn)拥有较高的理论容量以及特殊的储锂机理：M_xO_y+2yLi⁺+2ye^-→yLi₂O+xM因而是最具有开发和应用潜力的新一代锂离子电池负极材料。

其中NiO由于它广泛的用途，如催化剂，气体传感器，磁性材料以及锂离子电池负极材料等，得到广泛的研究和关注。作为非常具有吸引力的锂离子电池负极材料NiO，它具有低电位，低成本，低毒性，相比其他过渡金属氧化物更安全和高的理论容量(717mAh g^-1)，高的体积能量密度(约为石墨的5.8倍)等众多优势。但在循环过程中，离子导电性差，NiO发生较大的体积膨胀等制约了NiO的电化学性能的发挥。

有研究表明，减小NiO的纳米粒径不仅可以缩短Li+扩散距离，也能增加电极和电解质的接触面积，从而提高循环稳定性。但纳米材料最大的问题就是容易团聚从而引起更多的问题，而加入碳黑或导电聚合物可以使这些问题得到改善。Zhang等人采用水热法得到碳包覆的氧化镍(NiO-C)纳米颗粒，并将其用作锂离子电池负极材料。在100mAh g^-1的电流密度下循环50圈后，可逆容量仍保持在706.9mAh g^-1。

本发明通过简单的球磨工艺，成功合成了均匀负载在石墨片上的纳米氧化镍NiO颗粒。当用于锂离子电池负极材料时，氧化镍/石墨复合纳米材料具有优异的循环稳定性，在200mAh g^-1的电流密度下循环50圈后，材料能保持861mAh g^-1的可逆容量，在1200mAh g^-1的大电流密度下，材料也有602mAh g^-1的可逆容量。本发明具有工艺简单，原料价格低廉易得，成本低，效率高，环境友好等优点，可以大规模工业应用。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种氧化镍/石墨复合纳米材料。

本发明的另一目的是提供上述氧化镍/石墨复合纳米材料的低成本、高效率、可大规模制备的方法。

本发明的再一目的是提供上述氧化镍/石墨复合纳米材料作为高性能锂离子电池负极材料的应用方法。

本发明目通过以下技术方案实现。

一种用于锂离子电池的氧化镍/石墨复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨与无水硝酸钠放入反应器中，搅拌下加入浓硝酸，反应后用水洗涤至中性，干燥，得到酸化石墨；

(2)将酸化石墨、氢氧化镍与球混合球磨，再分离得到的氢氧化镍/石墨复合纳米材料；

(3)在氮气气氛下，将氢氧化镍/石墨复合纳米材料放置于管式炉中煅烧，得到氧化镍/石墨复合纳米材料。

优选的，步骤(1)所述石墨为天然鳞片石墨、天然石墨和人造石墨中的一种或多种。

优选的，步骤(1)所述反应的时间为12小时12小时。

优选的，步骤(2)所述球与原料的质量比为20:1-20:10，所述原料包括酸化石墨和氢氧化镍。

优选的，步骤(2)所述球磨时的转速为300～500rpm；球磨时间为24-48h。

优选的，步骤(3)所述煅烧的温度为250-450℃；时间为2-4h。

优选的，一种氧化镍/石墨复合纳米材料的制备方法如下：