[發(fā)明專利]一種鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-09-12
• 公開（公告）號: CN104167537A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 武軍;胡冀;程筱軍;邵李煥;徐軍明
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)和新能源材料領(lǐng)域，涉及一種鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

在混合動力/電動汽車和便攜式電子設(shè)備中，電池的能量密度和功率密度成為影響其能否被廣泛應(yīng)用的兩個關(guān)鍵因素。碳基材料，尤其是石墨，由于其穩(wěn)定的可逆循環(huán)性和高速充放電穩(wěn)定性，是目前商業(yè)化最為成熟的鋰離子電池負(fù)極材料。然而，石墨的理論容量只有370mAh·g^-1,難以滿足日益增長的大功率電子設(shè)備和電動汽車的長距離行駛需求。因而，人們將注意力轉(zhuǎn)移到具有更大容量的替代材料上，過渡金屬氧化物就是其中一種。氧化鋅的理論容量高達978mAh·g^-1，具有高度化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性，使其成為很有希望的鋰離子電池負(fù)極材料。然而，氧化鋅表現(xiàn)出的充放電循環(huán)特性比較差，容量可逆性也較低，這些可能是由于氧化鋅的電子和離子導(dǎo)電性比較差，結(jié)合鋰離子后體積膨脹比較大所導(dǎo)致。所以，接下來人們的研究重點就主要著重于如何改善其導(dǎo)電性和減小其體積變化所帶來的影響。其中一種方式就是用摻雜/混合/包覆的方法給氧化鋅主體材料中加入一些導(dǎo)電性好的材料，比如鎳、銀、或碳材料；另一種方式就是用一定的制備方法設(shè)計和獲得具有一定特殊結(jié)構(gòu)的納米材料，比如納米線、納米棒等，以增加電極材料與電解液之間的接觸面積，縮短鋰離子的擴散距離，并能提供體積膨脹后的空間冗余。

本發(fā)明采用ESD(靜電噴霧沉積)沉積技術(shù)，獲得的鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料，具有均勻一致的孔洞結(jié)構(gòu)，其電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示，具有穩(wěn)定的循環(huán)特性和高速充放電特性。而且，這種ESD材料制備方法簡單快速、易操作、低成本，非常適合應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)線中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在于提供一種鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料，是一種具有高容量、電化學(xué)性能穩(wěn)定可靠的鋰離子電池負(fù)極材料。

本發(fā)明鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料為共混物，該共混物包括石墨烯、氧化鋅；其中石墨烯與氧化鋅的質(zhì)量比為1：9～2：8；

本發(fā)明的另一個目的是提供該鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料的制備方法。

以硝酸鋅、氧化石墨烯粉末為原料，溶于1,2-丙二醇與無水乙醇的混合液中，利用靜電噴霧沉積技術(shù)在金屬襯底上，得到鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料，該負(fù)極材料可直接用于鋰離子電池的負(fù)極，所用金屬襯底直接成為金屬電流收集極。

本發(fā)明方法具體包括以下步驟：

步驟(1).將含水硝酸鋅(Zn(NO₃)₂·6H₂O)、氧化石墨烯粉末溶于1,2-丙二醇與無水乙醇的混合液中，超聲波攪拌1～2小時后得到懸濁的ESD用前驅(qū)液；

所述的含水硝酸鋅與氧化石墨烯粉末的質(zhì)量百分比按其沉積分解后得到的石墨烯與氧化鋅質(zhì)量比為1：9～2：8換算獲得；

所述的超聲波條件如下：超聲波頻率為20～50Hz，超聲功率控制范圍為700～1000W；

所述的1,2-丙二醇與無水乙醇的混合液中1,2-丙二醇與無水乙醇的體積比為1：2～2：1；

所述的含水硝酸鋅、氧化石墨烯、1,2－丙二醇、無水乙醇在ESD用前驅(qū)液中的純度(質(zhì)量百分含量)分別大于等于98﹪、99﹪、99.5﹪、99.5﹪；

步驟(2).將金屬襯底稱重后固定在基片夾板上，然后將金屬襯底溫度加熱至100～250℃；

所述的金屬襯底為純度(質(zhì)量百分含量)大于等于98﹪的泡沫鎳或銅箔；

步驟(3).調(diào)節(jié)ESD裝置的毛細(xì)噴嘴與金屬襯底之間的距離為5～7cm，所加直流電壓為9～12kV；

步驟(4).將步驟(1)得到的ESD用前驅(qū)液加入至ESD裝置，設(shè)定ESD裝置的液流噴速為600～800μl/h，打開開關(guān)，ESD裝置開始將ESD用前驅(qū)液噴霧至襯底材料上；

步驟(5).噴霧1～2小時后，關(guān)閉ESD裝置；待冷卻至常溫，再次稱重后，得到鋰離子電池用石墨烯/氧化鋅復(fù)合負(fù)極材料。

本發(fā)明通過調(diào)節(jié)原材料含水硝酸鋅和氧化石墨烯粉末的質(zhì)量百分比可控制石墨烯的摻雜量，通過調(diào)節(jié)ESD裝置的液體流速、沉積時間可以控制薄膜材料的厚度。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1.本發(fā)明制備方法工藝簡單、快速、成本低廉：利用ESD法可實現(xiàn)大面積薄膜制備，有利于大規(guī)模推廣和生產(chǎn)；