[发明专利]无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体为一种无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法。本发明制备方法包括：制备羧基修饰的单分散聚苯乙烯微球（PSA）；通过静电吸附作用在PSA模板表面包覆沸石咪唑酯骨架材料（ZIF）纳米粒子，得到PSA/ZIF核壳型复合微球；PSA/ZIF复合微球经煅烧处理，制得无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料。本发明方法制备的无定形氧化锌/碳复合材料作为锂离子电池负极活性物质，兼具高比容量与长效循环稳定性的特点，并且制备工艺简单，成本低廉，对环境无污染。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池是一种清洁高效的能源存储与转化装置，随着电动汽车的飞速发展和储能行业日渐兴起，开发高比容量、长循环稳定性的锂离子电池具有巨大的实用价值。负极材料是影响锂离子电池容量性能的关键因素之一，但是目前商用石墨类碳负极的理论比容量仅有372 mAh g^-1，难以满足市场对高容量的需求。研究表明，过渡金属氧化物具有较高的理论比容量，并且兼具无毒、成本低廉和环境友好等优点，是理想的负极替代材料。其中氧化锌的理论比容量为978 mAh g^-1，是石墨的2.6倍，与其他过渡金属氧化物相比具有更高的锂离子扩散系数，应用潜力较大。但是目前大部分研究集中在结晶型氧化锌基负极材料，其容量性能和循环寿命均有所欠缺，一方面是由于结晶型氧化锌在充放电过程中体积剧烈膨胀造成材料粉化脱离集流体，导致循环稳定性差；另一方面氧化锌本身导电性差，离子和电荷难以有效传输，导致活性物质利用率低，因此比容量往往与其理论比容量相距甚远。目前常用的解决方法是将构筑纳米结构以及与碳材料复合这两大策略相结合，改善材料循环稳定性的同时提高导电性，增大复合材料中氧化锌的利用率，提高容量性能。此外，碳和氧化锌纳米粒子之间形成均匀复合和完整包覆是关键之一，这种结构能够有效防止氧化锌纳米粒子在充放电过程中由于团聚失活而损失容量。

为了解决以上难题，本发明设计制备了一种无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料，兼具高比容量与长效循环稳定性两大优势。第一，相较于结晶型氧化锌，无定形的氧化锌在充放电时体积膨胀较小。同时，材料的空心腔体也能够缓解充放电过程中的体积膨胀，展现出长效循环稳定性；第二，氧化锌纳米粒子完全嵌入在氮元素掺杂的多孔碳层中，在充放电过程中能够充分活化，此外由于ZIF材料的高比表面积能够贡献额外的储锂位点，从而提升其容量性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法，解决现有技术中氧化锌基负极材料循环充放电稳定性不理想、容量性能较差的技术难题。

本发明制备的无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料，兼具高比容量与长效循环稳定性的特点，并且制备工艺简单，成本低廉，对环境无污染。

本发明提供的无定形氧化锌/碳复合锂离子电池负极材料的制备方法，具体步骤为：

第一步，羧基修饰的单分散聚苯乙烯微球（PSA）的制备

量取水80~120 g，苯乙烯单体5~12 g，丙烯酸0.1~1.0 g，加入至四颈瓶中，通入氮气搅拌25-32 min后升温至75℃，加入8-12 g 含有0.05~0.2 g过硫酸铵的水溶液，反应10h；将所得产物离心洗涤多次后，重新分散在乙醇中，得到PSA乳胶粒子的乙醇分散液；

第二步，通过静电吸附作用在PSA模板表面包覆沸石咪唑酯骨架材料（ZIF）纳米粒子，得到PSA/ZIF核壳型复合微球

称取溶剂5~10 g，然后加入第一步中制备的PSA乳胶粒子的乙醇分散液0.5~1.5g，加入金属锌盐50~500 mg，超声分散10~40 min；