[發(fā)明專利]鈷酸鋅/氧化鎳核殼納米線陣列的制備方法和應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410183377.5
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103956483A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫志鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;B81C1/00;B82Y40/00
• 代理公司: 烏魯木齊中科新興專利事務所 65106
• 代理人: 李靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈷酸鋅/氧化鎳核殼納米線陣列的制備方法和應用；屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

眾所周知，鋰離子電池已廣泛應用于便攜式電子設(shè)備和新型電動交通工具。隨著對高能量密度化學電源需求的日益增長，大量的研究集中在開發(fā)具有很高容量的非炭負極材料如硅、錫、銻及其合金、過渡金屬氧化物、氮化物等，以克服傳統(tǒng)碳負極材料存在的比容量低、對電解液敏感等不足。其中過渡金屬氧化物由于具有很高的理論容量和良好的安全性能，被認為是很有應用前景的新型負極材料體系。但過渡金屬氧化物存在充放電過程中體積變化明顯和電池實際放電平臺偏高等缺點，嚴重影響了負極材料的循環(huán)性能和能量密度。因此，解決過渡金屬氧化物材料在充放電過程中的體積變化和降低放電平臺，對于研究和開發(fā)高性能鋰離子電池具有重要的理論意義和應用價值。?

過渡金屬氧化物的儲鋰機理不同于傳統(tǒng)的鋰嵌入脫出反應和鋰合金過程,研究發(fā)現(xiàn)造成過渡金屬氧化物電化學性能不佳的原因在于體積變化和納米粒子催化活性。針對過渡金屬氧化物材料體積變化，目前主要采用制備納米材料的方法來降低材料的絕對體積變化。除了合成傳統(tǒng)的納米顆粒、納米球(珠)、納米線(棒)等外、目前研究的熱點主要包括：(1)納米棒(線)陣列，納米陣列保證了每個納米線(棒)都能與集流體和電解液充分接觸，因此納米棒(線)陣列電極具有很高的容量、良好的循環(huán)性和高倍率充放電性能。但缺點是制備納米陣列的方法復雜，大規(guī)模應用比較困難。2)多孔電極，通過在泡沫鎳表面沉積一層具有納米多孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物薄膜，可以實現(xiàn)活性物質(zhì)與電解液充分接觸，而多孔結(jié)構(gòu)則有利于緩解活性物質(zhì)體積變化，實現(xiàn)循環(huán)性能和容量的提高，但多孔結(jié)構(gòu)的引入降低了材料的體積能量密度。?

鈷酸鋅和氧化鎳視為優(yōu)于石墨鋰存儲的材料因其理論容量高、低成本、和良好的環(huán)境親切。然而,鈷酸鋅和氧化鎳的缺點也是顯而易見的，比如簡單的納米結(jié)構(gòu)，導電性能差以及材料體積變化大，這些直接會降低鈷酸鋅和氧化鎳的循環(huán)性能和充放電倍率性能。與此同時，單一組分的納米材料(鈷酸鋅或氧化鎳)很難滿足高性能負極材料的要求。因此這些也會影響鈷酸鋅和氧化鎳這些價格較低的過渡金屬氧化物在鋰離子電池領(lǐng)域中的應?用。克服上述問題，制備分級、多孔結(jié)構(gòu)的納米復合材料是提高過渡金屬氧化物電化學性能的有效途徑。原因在于納米復合材料可以優(yōu)化兩種材料的結(jié)構(gòu)和電化學活性，達到優(yōu)勢互補的目的。目前“核殼”結(jié)構(gòu)納米材料是最具吸引力的過渡金屬氧化物復合材料之一。結(jié)構(gòu)中的殼層可改善“核”的表面性質(zhì)和避免納米顆粒的團聚。最近，文獻(Jian?Yan,Afriyanti?Sumboja,Eugene?Khoo,and?Pooi?See?Lee，V₂O₅Loaded?on?SnO₂Nanowires?for?High-Rate?Li?Ion?Batteries.Advanced?Materials,2011,23(6):746–750)報道了在不銹鋼基底上制備了V₂O₅/SnO₂核殼納米線陣列，實驗結(jié)果表明：這種結(jié)構(gòu)和組成增加了V₂O₅/SnO₂核殼納米線陣列的導電性能，提高了該復合材料的鋰離子充放電容量、循環(huán)壽命和倍率性能。但該法合成溫度較高，條件苛刻，不易于低成本、大規(guī)模實現(xiàn)制備該類復合材料。同時，文獻(Weiqian?Zeng,Feipeng?Zheng,Ruizhi?Li,Yang?Zhan,Yuanyuan?Li?and?Jinping?Liu,Template?synthesis?of?SnO₂/α-Fe₂O₃nanotube?array?for3D?lithium?ion?battery?anode?with?large?areal?capacity.Nanoscale,2012,4,2760-2765)報道利用模板法在不銹鋼基底上合成了具有有序、連續(xù)、開放孔道結(jié)構(gòu)的SnO₂/α-Fe₂O₃納米管陣列復合材料，近而改變其導電性能，穩(wěn)定性和鋰電性能。該法采用模板法，即先在不銹鋼基底上制備有序納米線陣列，通過水熱反應得到有序ZnO@SnO₂納米線陣列，然后通過化學方法去除模板ZnO得到有序多孔SnO₂納米線陣列，最后通過化學沉積α-Fe₂O₃和高溫燒結(jié)，得到產(chǎn)物SnO₂/α-Fe₂O₃納米管陣列。此類復合材料也表現(xiàn)出良好的鋰離子充放電容量、循環(huán)壽命和倍率性能，但是該法制備成本較高，過程較繁瑣。迄今為止，針對具有分級、多孔、“核殼”結(jié)構(gòu)的鈷酸鋅/氧化鎳復合材料及其相關(guān)應用的報道還尚未報道。?