[發(fā)明專利]一種銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料及制備和應(yīng)用

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• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN112824323A
• 公開（公告）日: 2021-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王二東;張強;蓋麗艷;孫公權(quán)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: C01G9/02
• 分類號: C01G9/02;C01G15/00;C01B32/184;C01B32/194;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/30;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 鄭偉健

本發(fā)明是一種銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料的制備及其在鋅鎳二次電池負極應(yīng)用的通用方法。本發(fā)明使用水熱合成法將銦元素摻雜進入氧化鋅晶格取代部分鋅元素的位置，同時在這個過程中將銦摻雜氧化鋅擔載于還原氧化石墨烯的片層上。通過銦元素摻雜能夠增加氧化鋅中自由電子的數(shù)量從而可以增加載流子濃度，因而可以增強材料導(dǎo)電性。生成的復(fù)合材料具有均勻片狀結(jié)構(gòu)，同時展示了非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。由于原料使用的是乙酸鋅、檸檬酸鉀、尿素和少量氯化銦及少量氧化石墨等，原料來源廣泛，價格便宜，而且這種電極材料制備工藝簡單可控，設(shè)備簡易，是一種易于進行大規(guī)模生產(chǎn)的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料的制備及其作為鋅鎳二次電池負極的應(yīng)用，屬于無機納米材料及電化學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋅鎳二次電池是一種以鋅/氧化鋅作為負極，氫氧化鎳/羥基氧化鎳為正極的二次電池，具有比能量較高,安全性好且價格便宜的特點。基于上述優(yōu)點，鋅鎳二次電池未來有望應(yīng)用于小型電動車的動力電源，啟動電源等，同時也非常有可能替代目前使用有毒鉛化合物的鉛酸電池。因此鋅鎳二次電池及其電極材料的研究日益受到人們的關(guān)注。

目前，鋅鎳二次電源研究遇到的主要問題是電池壽命較短，原因主要是鋅負極存在枝晶生長及變形等問題，從而造成活性物質(zhì)利用率降低，電池容量快速衰減。因此，探索具有高比容量和長循環(huán)壽命的負極材料是目前鋅鎳二次電池的研究重點。目前，鋅鎳二次電池負極材料研究主要集中在針對放電態(tài)活性物質(zhì)氧化鋅的改性研究上，改性采用的常用方法包括復(fù)合法，如氧化鋅與聚吡咯復(fù)合，通過增強材料導(dǎo)電性及抑制氧化鋅的溶解，進而提高材料的放電比容量及循環(huán)穩(wěn)定性；形貌及粒徑控制也是常用的方法，如納米氧化鋅制備等，通過將合成的氧化鋅材料的粒徑控制到納米極，使其外延生長而不是枝晶生長，從而增強其循環(huán)壽命；同時，小粒徑的氧化鋅具有較大的比表面積，有利于增大它與電解液的接觸面積，從而降低電極極化，有利于增大放電比容量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯鋅鎳二次電池負極材料及其制備方法。通過使用水熱合法，將與鋅原子具有相近原子半徑的銦原子摻雜進入氧化鋅晶格中來取代部分鋅元素的位置，增加氧化鋅基體中自由電子的數(shù)量來增加載流子濃度，從而增強材料導(dǎo)電性；通過金屬鋅與氧化石墨表面上含氧官能團之間的相互作用，使氧化鋅擔載于還原氧化石墨烯表面上，進一步增強材料導(dǎo)電性，同時還原氧化石墨烯能夠抑制氧化鋅在電解液中的溶解，從而抑制鋅負極的枝晶生長及電極變形，最終得到了一種具有高比容量及長循環(huán)壽命的鋅鎳二次電池負極材料。

一種銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料，其特征在于：所述氧化鋅為纖鋅礦氧化鋅；通過水熱合成法使銦取代氧化鋅晶格中部分鋅的位置；并且使所述銦摻雜氧化鋅擔載于石墨烯片層上。

所述銦元素與鋅元素的原子比為0.01:1～0.1:1；所述還原氧化石墨烯的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的2％～25％。

通過控制水熱反應(yīng)的時間，使合成的銦摻雜氧化鋅復(fù)合氧化石墨烯材料中銦摻雜氧化鋅的粒徑約為10～20納米，并且擔載于面積約幾百納米的片狀還原氧化石墨烯片上。這種結(jié)構(gòu)擁有大的比表面積，有利于活性物質(zhì)與電解液之間的充分接觸，從而可以降低電極極化；同時，還原氧化石墨烯可以抑制氧化鋅溶解到電解液中，從而可以減少枝晶生長和電極變形，因而可以延長電池的循環(huán)壽命。

所述銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料，其中復(fù)合的還原氧化石墨烯的厚度為4～5納米。

所述銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料的制備，其中關(guān)鍵在于控制水熱反應(yīng)的時間，控制銦元素的摻雜量及復(fù)合的還原氧化石墨烯的使用量，具體制備步驟如下：

步驟一，銦摻雜氧化鋅復(fù)合還原氧化石墨烯材料的制備