ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料、制备及电池组装方法技术

本发明专利技术涉及电池材料技术，尤其涉及一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料、制备及电池组装方法，该材料包括衬底、设置在衬底上的ZnO层、设置在ZnO层上的Ni层；所述ZnO层为多孔蜂窝状纳米阵列。制备方法包括清洗Ni衬底；制备胶体球模板；沉积ZnO薄膜；去除胶体球模板，得到多孔ZnO阵列薄膜；溅射一层Ni薄膜，制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料。电池组装方法，以上述材料为工作负极，以纯锂圆片为对电极，之间采用多孔聚丙烯膜隔开，采用扣式电池封口机，在手套箱内部将电池完全密封后取出。本发明专利技术用胶体球模板法制备的蜂窝状多孔ZnO阵列材料具有极大的比表面积，有效增大反应界面，提高材料的利用率并增大反应速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料、制备方法及电池组装方法。
技术介绍
便携式电子产品、电动汽车的不断发展，迫切需要一种具有高能量密度、高功率密度、循环寿命长的绿色二次电池作为它们的动力电源。与其他二次电池相比，锂离子电池由于具有更多的优点而获得更为广泛的关注和应用。电极材料的性能决定着电池的性能，在负极材料方面，随着生产技术和工艺的逐渐改进，商业化锂离子电池传统的石墨类电极材料的容量和循环寿命几乎被发挥到了极限，如果要进一步打破这个瓶颈获得性能上的更大突破，就必须研发出具有更高能量及功率密度、更长循环寿命的新型电极材料。过渡金属氧化物材料是一类新型的负极材料，具体包括铁、钴、镍、铜、锌的氧化物以及它们之间形成的混合氧化物，它们具有较高的理论容量，往往可达传统碳材料的2~3倍，具有应用前景，从而引起了国内外研究者的广泛关注。在这类氧化物中，ZnO具有原料廉价、化学性质稳定、容易制备等诸多优点，是一种非常具有应用前景的锂离子电池负极材料。但是目前ZnO材料还存在很多问题没有解决，比如它们的高容量仅仅只能在很低的电流密度下才能得以表现，电流密度的增大会导致实际容量的急剧下降。而且，这类材料还普遍存在首次库仑效率不高、循环性能差等问题。为了改善上述问题，国内外研究者常采用材料复合化和特殊形态材料电极，但目前的方法只是从增大比表面积、有效增大反应界面或增加颗粒与集流体紧密接触这三个方面的其中一种方面来提高其锂离子电池性能。因此，设计一种具有上述三个方面作用的特殊结构的电极材料，有望进一步提高其锂离子电池性能。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种大的比表面积和反应界面的ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料、制备方法及组装电池方法。为达上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，包括衬底、设置在衬底上的ZnO层、设置在ZnO层上的Ni层；所述ZnO层为多孔蜂窝状纳米阵列。较佳地，所述的衬底为Ni片。较佳地，所述的ZnO层孔径为950~1050nm。一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料制备方法，包括以下步骤：S1，清洗Ni衬底；S2，利用自组装方法在步骤S1清洗的Ni衬底制备胶体球模板，并放置烘箱内60℃烘干1天；S3，以ZnO陶瓷靶材为源材，采用磁控溅射法在步骤S2制备的胶体球模板上沉积ZnO薄膜；S4，将步骤S3制备的样品取出后浸泡在二氯甲烷溶液去除胶体球模板，得到多孔ZnO阵列薄膜；S5，在步骤S4的多孔ZnO阵列薄膜上采用磁控溅射法溅射一层Ni薄膜，制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料。较佳地，所述步骤S1的清洗方法为：将Ni衬底依次置于乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟，置于去离子水中待用。较佳地，所述步骤S2的自组装法具体的步骤为：将直径为1微米、质量百分比为10%的聚苯乙烯微球与乙醇和去离子水按照体积比1:4:4配成混合液，用移液器取10微升聚苯乙烯微球的混合液滴在玻璃片上，混合液迅速从玻璃片上扩散至水面，并在水面自组装形成单层聚苯乙烯薄膜；接着用步骤S1的Ni衬底将分散好的单层聚苯乙烯薄膜捞起，在Ni衬底表面形成单层聚苯乙烯薄膜。较佳地，所述步骤S3中溅射功率为50瓦，溅射时间为1000秒。较佳地，所述步骤S4中，浸泡二氯甲烷溶液时间为10分钟。较佳地，所述步骤S6中溅射功率为50瓦，溅射时间为500秒。ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料电池组装方法，组装过程在充满着高纯Ar气手套箱中进行，以ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的作为工作负极，以1.2cm直径的纯锂圆片为对电极，两个电极之间采用多孔聚丙烯膜隔开，两电极上面放上不锈钢垫片及弹片，滴加电解液，盖上负极壳，采用扣式电池封口机，在手套箱内部将电池完全密封后取出，静置12小时，以确保电极材料充分被电解液湿润。本项目采用胶体球模板法，设计并制备一种具有特殊纳米结构的蜂窝状多孔ZnO阵列。该阵列是一种三维多孔性阵列，跟普通的一维、二维阵列相比，该材料具有极大的比表面积，可更有效增大反应界面，提高材料的利用率并增大反应速度。该阵列中的颗粒与集流体紧密接触，可有效加速电子转移，减轻电极极化，增大电极的可逆性。该阵列具有疏松的结构，可有效维持材料在循环过程中的稳定性。因此通过这种方法，制得的锂离子电池电极具有高可逆容量、高倍率充放电能力及高循环稳定性。采用磁控溅射法，将蜂窝状多孔ZnO阵列进一步与纳米Ni颗粒复合，进一步提高多孔阵列表面及内部的导电性。附图说明图1为本专利技术实施例制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料截面的场发射扫描电子显微镜图像；图2为本专利技术实施例制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的首次充放电曲线；图3为本专利技术实施例制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的充放电容量随循环次数的变化关系；图4为本专利技术实施例制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的在不同倍率下，10次循环充放电容量图。具体实施方式为更好地理解本专利技术，下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案做进一步说明：按本专利技术实施的ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，包括Ni片衬底、设置在衬底上的ZnO层、设置在ZnO层上的Ni层；所述ZnO层为多孔蜂窝状纳米阵列。ZnO层孔径为950~1050nm。ZnO层孔径过小不利于成形，过大则比表面积过小。ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料制备方法，包括以下步骤：S1，清洗Ni衬底；将Ni衬底依次置于乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟，置于去离子水中待用。S2，利用自组装方法在步骤S1清洗的Ni衬底制备胶体球模板，并放置烘箱内60℃烘干1天。所述步骤S2的自组装法具体的步骤为：将直径约为1微米、质量百分比为10%的聚苯乙烯微球与乙醇和去离子水按照体积比1:4:4配成混合液，用移液器取10微升聚苯乙烯微球的混合液滴在玻璃片上，混合液迅速从玻璃片上扩散至水面，并在水面自组装形成单层聚苯乙烯薄膜；接着用步骤S1的Ni衬底将分散好的单层聚苯乙烯薄膜捞起，在Ni衬底表面形成单层聚苯乙烯薄膜。S3，以ZnO陶瓷靶材为源材，采用磁控溅射法在步骤S2制备的胶体球模板上沉积ZnO薄膜。溅射功率为50瓦，溅射时间为1000秒。S4，将步骤S3制备的样品取出后浸泡在二氯甲烷溶液10分钟，去除胶体球模板，得到多孔ZnO阵列薄膜。S5，在步骤S4的多孔ZnO阵列薄膜上采用磁控溅射法溅射一层Ni薄膜，溅射功率为50瓦，溅射时间为500秒，制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料。ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料电池组装方法，组装过程在充满着高纯Ar气手套箱中进行，以ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的作为工作负极，以1.2cm直径的纯锂圆片为对电极，两个电极之间采用多孔聚丙烯膜隔开，两电极上面放上不锈钢垫片及弹片，滴加电解液，盖上负极壳，采用扣式电池封口机，在手套箱内部将电池完全密封后取出，静置12小时，以确保电极材料充分被电解液湿润，并减轻电极极化，提高测试结果的准确性，采用电池程控分析仪（武汉蓝电LANDCT2001A）测试所装配扣式电池的储锂性能。测试过程中，设定电流密度恒定为100mA/g，设定充放电电压区间为0.02~3V，在这些条件下对电池做20次循环充放电测试。测试软件记录的原始数据是电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，其特征在于：包括衬底、设置在衬底上的ZnO层、设置在ZnO层上的Ni层；所述ZnO层为多孔蜂窝状纳米阵列。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，其特征在于：包括衬底、设置在衬底上的ZnO层、设置在ZnO层上的Ni层；所述ZnO层为多孔蜂窝状纳米阵列。2.根据权利要求1所述的ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，其特征在于：所述的衬底为Ni片。3.根据权利要求1所述的ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料，其特征在于：所述的ZnO层孔径为950~1050nm。4.权利要求1所述的ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，清洗Ni衬底；S2，利用自组装方法在步骤S1清洗的Ni衬底制备胶体球模板，并放置烘箱内60℃烘干1天；S3，以ZnO陶瓷靶材为源材，采用磁控溅射法在步骤S2制备的胶体球模板上沉积ZnO薄膜；S4，将步骤S3制备的样品取出后浸泡在二氯甲烷溶液去除胶体球模板，得到多孔ZnO阵列薄膜；S5，在步骤S4的多孔ZnO阵列薄膜上采用磁控溅射法溅射一层Ni薄膜，制备ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料。5.根据权利要求4所述的一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1的清洗方法为：将Ni衬底依次置于乙醇和去离子水中分别超声清洗30分钟，置于去离子水中待用。6.根据权利要求4所述的一种ZnO/Ni蜂窝状电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2的自组装法具体的步骤为：将直...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟文武，陈恺，黄小华，刘彦平，李志刚，詹白勺，
申请(专利权)人：台州学院，上海电气集团上海电机厂有限公司，詹白勺，
类型：发明
国别省市：浙江;33