一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法技术

本发明专利技术为一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：(1)制备前驱液；(2)将制备好的前驱液置于针管中，以静电纺丝技术得到Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜；(3)进行预氧化；(4)将预氧化得到的物质，放入管式炉中，通以氩气，在700～900℃的温度下煅烧1～2h，最后得到可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料。本发明专利技术可以通过调控Zn(CH3COO)2与碳源PVP的比例来获得碳含量不同的氧化锌/碳复合材料，氧化锌与碳混合更加均匀，操作简单，且节省成本。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法
本专利技术涉及锂离子电池负极材料制备的
，涉及一种锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法。纳米氧化锌是具有优良性质的宽带间隙半导体，其中静电纺丝法作为制备纳米纤维最简单有效的方法之一，静电纺丝纳米纤维具有大的表面积，高的孔隙率和独特的结构纳米特性等优点，具有潜在应用价值。
技术介绍
随着电子工业的发展，锂离子电池应用日益广泛，对于稳定性的要求也越来越高。当今二十一世纪，锂离子电池作为新兴储能装置进一步解决能源危机及实现环保的愿望。根据锂电池所用电解质材料不同，分为液态锂电池和聚合物锂电池两大类，其主要区别在于电解质不同。锂离子电池是锂电池的改进型产品，但锂是一种高度活跃的金属，在充电时会出现燃烧和爆裂的情况，新型锂离子电池中加入了能抑制锂元素活跃的成分，如镍、锰等，使其达到了安全、高效、方便的可塑性。新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经很高，形状上得到薄形化、提高了电池造型的灵活性，配合产品需求，做成任何容量的电池。聚合物锂离子电池分为三类：(1)固体聚合物电解质锂离子电池(2)凝胶聚合物电解质锂离子电池(3)聚合物正极材料的锂离子电池。本专利采用静电纺丝技术制备一种用于锂离子电池负极的ZnO/碳复合材料的制备，同领域专利CN105591090A报道一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/氮掺碳复合材料的制备方法，是一种利用溶胶凝胶法制备氮掺杂碳材料，但是上述专利存在以下缺点：1体积易膨胀2制备工艺复杂。因此，在制备锂离子电池氧化锌负极材料工艺精简，高效率且高环保以及能维护带电储存量是改善此类电池电化学性能的关键。静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法，早在20世纪30年代，已在专利中报道了利用高压静电场进行纺丝，静电纺丝装置主要由高压电源，溶液储存装置及喷射装置和接收装置四个部分而组成，储存装置使用注射器和22号针管头装满储存液，并插入金属电极。该电极与高压电源相连，使液体带电。采用平行放置，利用手机控股机械装置缓慢推动注射器将溶液挤压出来。接收装置为滚筒。据报道，纤维之间的间距为1—2微米，纤维之间产生间距的原因是在纤维产生排斥作用，从而使纤维和纤维之间有一定的间距。间距大小与尺寸及残余电荷量有关。静电纺丝技术虽然凭借它的优势迅速发展，但是它由于其自身的局限性，如何和相关物质结合实用，还有许多问题需要解决。氧化锌/碳复合材料可以提高金属离子负载分散到碳材料的表面，还提高了电化学性质，改善体积膨胀效应的同时与碳复合能良好的储存锂，能够增加复合材料的比容量。本专利是利用静电纺丝法制备氧化锌掺碳。其静电纺丝原理：将聚合物溶液或者熔体置于储液管中，并将储液管置于电场，阳极插入储液管的溶液中，阳极从高压静电场发生器导出。当没有外加电压时，由于储存管中的溶液受到重力的作用而缓慢沿储液管壁流淌，而在溶液与储液管壁间的粘附力和溶液本身所具有的粘度和表面张力的综合作用下，形成悬挂在储液管口的液滴。电厂开启时，由于电场作用，溶液中不同的离子或分子中具有极性的部分将向阴极方向聚集。由于阳极插入聚合物溶液中，溶液的表面应该是布满受到阳极排斥作用的阳离子或分子中的缺电子部分，所以溶液表面的分子受到了方向指向阴极的电场力，而溶液的表面张力与溶液表面分子受到的电场力的方向相反，当外加的电压所产生电场力较小时，电场力不足以使溶液中带电荷部分从溶液中喷出，这时储液管口原为球形的液滴被拉伸变长。继续加大外加电压，在外界其它条件一定的情况下，当电压超过某一临界值时，溶液中带电荷部分克服溶液的表面张力从溶液中喷出，这时储液管口的液滴变为锥形，在储液管顶端，形成一股带电的喷射流。喷射流发生分裂，容及挥发，纤维固化，并以无序状排列于收集装置上，形成类似非织造布的纤维膜。该方法和传统的方法明显不同，在传统纺丝过程中，纤维受到拉力，流变力，重力，惯性力以及空气动力的作用。在静电纺丝中高聚物溶液或熔体则受到电场力的驱动，其拉伸力来自于所加电场和聚合物喷流中的电荷之间的相互作用，而有在对聚合物溶液或熔体施加几千至上万伏的高压静电后，聚合物才能克服表面张力形成喷射细流，同时在喷射过程中随溶剂蒸发而固化，最终形成纳米纤维，直径一般在几十纳米至几微米之间。对于碳材料的制备而言，用Hummers等氧化还原方法制备纳米氧化锌/石墨烯合成周期较长，且材料的形貌控制较难均匀。利用CVD法制备氧化锌/石墨烯成本较高，且转移过程伴随着损失。在聚合物静电纺丝过程中有很多因素影响纤维的形成状态，这些因素包括：(1)溶液性质，如粘度，电导率，表面张力，粘弹性等(2)工艺参数，如储液管的静夜压，电位及储液管和接受屏之间的距离等。(3)环境参数，如温度，湿度和空气流速等。溶液的性质影响聚合物的静电纺丝，溶剂的介电常数越大，纤维的直径越细。空气的湿度影响纺丝纤维的表面形态。利用静电纺丝技术应用于过滤阻隔材料。静电纺丝制备的纳米纤维具有极大的比表面积和表面积比，同时在纤维表面的多孔结构，使其具有很强的吸附力以及良好的过滤性，阻隔性，粘合性和保温性。利用这些特性可以用其制作吸附材料和过滤材料，应用于亚微米微粒的过滤等方面，利用纳米材料的阻隔性做阻隔材料时，由于阻挡微粒和某种离子的迁移，用作微型蓄电池正负极之间的隔膜。
技术实现思路
本专利技术的目在于针对当前技术中存在的不足，提供一种可用于锂离子电池负极材料的氧化锌/碳复合材料的制备方法。该方法通过静电纺丝技术获得混合均匀的Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜，将其灼烧后获得的氧化锌/碳复合材料的形貌为氧化锌纳米管与链状碳相互交错形成三维网状立体结构。本专利技术得到的氧化锌/碳复合材料可以通过改善静电纺丝工艺中的原料比例来调控最终获得的氧化锌和碳的含量，从而解决氧化锌作为锂离子电池负极材料存在的导电性能差、体积变化大、制备成本高、制备周期长的缺陷，从而在整体上提高锂离子电池的电化学性能和循环稳定性。本专利技术的技术方案为：一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备前驱液：将Zn(CH3COO)2加入到甲醇中，磁力搅拌1～5小时，再加入聚乙烯吡咯烷酮-K9(PVP)，继续磁力搅拌2～10小时，得到前驱液；其中，每5～20ml甲醇加0.2～0.7gZn(CH3COO)2、0.5～1.0g聚乙烯吡咯烷酮-K9(PVP)；(2)静电纺丝制备Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜：取1～10mL制备好的前驱液置于针管中，以推进速度为0.15～0.2mm/min，注射泵纺丝流速0.001～0.05ml/min，负电压为1～2kv，正电压为10～15kv,接收距离为15～25cm进行纺丝，接收板为SiO2/Si为基底的铝箔，再置于真空干燥箱中，25℃干燥10～12h，得到Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜；(3)马弗炉预氧化：将上步得到的Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜清洗后干燥，再放入马弗炉，以1～20℃/min的升温速率升温至200～300℃，保温1～5h后干燥；(4)将预氧化得到的物质，放入管式炉中，通以氩气，以1～10℃/min的升温速率升温至700～900℃的温度下煅烧1～2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：（1）制备前驱液：将Zn(CH3COO)2加入到甲醇中，磁力搅拌1~5小时，再加入聚乙烯吡咯烷酮‑K9（PVP），继续磁力搅拌2~10小时，得到前驱液；其中，每5~20ml甲醇加0.2~0.7gZn(CH3COO)2、0.5~1.0g聚乙烯吡咯烷酮‑K9（PVP）；（2）静电纺丝制备Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜：取1~10mL制备好的前驱液置于针管中，以推进速度为0.15~0.2mm/min，注射泵纺丝流速0.001~0.05ml/min，负电压为1~2kv，正电压为10~15kv,接收距离为15~25cm进行纺丝，接收板为SiO2/Si为基底的铝箔，再置于真空干燥箱中，25℃干燥10~12h，得到Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜；（3）马弗炉预氧化：将上步得到的Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜清洗后干燥，再放入马弗炉，以1~20℃/min的升温速率升温至200~300℃，保温1~5h后干燥；（4）将预氧化得到的物质，放入管式炉中，通以氩气，以1~10℃/min的升温速率升温至700~900℃的温度下煅烧1~2h，最后得到可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/碳复合材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：（1）制备前驱液：将Zn(CH3COO)2加入到甲醇中，磁力搅拌1~5小时，再加入聚乙烯吡咯烷酮-K9（PVP），继续磁力搅拌2~10小时，得到前驱液；其中，每5~20ml甲醇加0.2~0.7gZn(CH3COO)2、0.5~1.0g聚乙烯吡咯烷酮-K9（PVP）；（2）静电纺丝制备Zn(CH3COO)2/PVP纳米纤维膜：取1~10mL制备好的前驱液置于针管中，以推进速度为0.15~0.2mm/min，注射泵纺丝流速0.001~0.05ml/min，负...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永光，王新，钊妍，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44