一种碳/纳米NiO复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳/纳米NiO复合材料的制备方法，能制备高容量NiO复合材料改善NiO电极的电化学性能。该复合材料是以高导电率和稳定结构的碳材料为基体，碳材料结构稳定，纳米NiO颗粒周围具有大量的孔容，为充放电过程中NiO的膨胀收缩预留了空间，防止材料基体破坏，提高了材料的循环使用性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
目前制备的NiO电极材料包括粉体材料和薄膜材料，制备NiO粉体材料的方法最常见的是化学沉淀法。化学沉淀法中，通过不同的反应物和反应条件、添加表面活性剂、使用模板等，可以制备出不同形貌的NiO颗粒，包括纳米片状、纳米杆状、纳米线状、纳米管状、纳米球状等。例如，X.Y.Deng等[5]通过氨水共沉淀法制备了平均粒径为9nm的NiO纳米颗粒，并研究了溶液中络合与沉淀反应的竞争平衡关系。J.Y.Qi等[6]通过沉淀-水热法制备了厚度为20-50nm，宽度为45_140nm的六边形状的NiO纳米片。S.A.Needham等通过AAO模板制备了直径为200nm长度为60 μ m的NiO纳米管[7]。Y.G.Li等[8]通过氨水诱导挥发法在高浓度的氨水中制备了层叠状结构的NiO微米颗粒。此外，合成等级结构的NiO近年来也倍受关注。例如，W.Zhou等[9]通过添加PVP制备了多边形等级结构的NiO，每个颗粒看上去像由两个顶角相对的三棱锥扭转拼合而成。C.Coudun等[10]通过加入SDS制备了“千层饼”状的NiO颗粒，每个颗粒直径为300nm，厚度为200nm，由厚度为几纳米的NiO薄片堆叠而成。D.B.Kuang等[11]通过添加PENS制备了等级结构的NiO微球,S.M.Zhang等[12]通过加入EDA制备了多孔NiO等级结构的空心球，每个球的直径约为几微米，由二维的NiO纳米片组成。此外还有溶胶凝胶法制备纳米NiO颗粒,溶胶-凝胶法制备纳米NiO，螯合剂的选择至关重要。李董轩等[13]以柠檬酸为螯合剂合成了稳定的溶胶和凝胶，通过600°C烧结2h的热处理获得纳米NiO粉体晶粒大小分布均匀，晶型较好且没有明显的团聚现象，表现出良好的充放电稳定性。闻俊美等[14]采用溶胶凝胶法制备纳米NiO粒径小于10nm，加入导电剂和粘结剂制备的电极在0.05mA/cm2的电流密度下15次充放电循环后的比容量容量达800mAh/g以上。薄膜材料的制备方法主要有真空蒸镀法、溅射法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、电沉积法和化学浴沉积法等，所制备出的形貌包括致密薄膜和片状多孔薄膜。例如，Y.N.Luni等[15]通过真空蒸镀法制备了由粒径为IOOnm颗粒组成的NiO薄膜。K.F.Chiu等[16]通过偏派射法制备了由20nmNi0颗粒组成的纳米晶薄膜。Y.Wang等[17]通过脉冲激光沉积法制备了由30nm的NiO纳米晶组成的薄膜。H.B.Wang[18]通过电化学沉积法在泡沫镍上沉积了致密的NiO薄膜。X.H.Xia等[19]通过化学浴沉积法制备了片状多孔的NiO薄膜，薄膜由片状的NiO组成，每个NiO薄片都矗立在基底上形成多孔结构。NiO作为锂离子电池负极材料，许多研究者对于改善其循环性能进行了大量研究，要提高NiO的循环稳定性，可采取的方法之一是制备结构稳定的NiO材料。例如，B.Varghese等[20]采用等离子体辅助氧化法制备的垂直于衬底排列的NiO纳米片所组成的薄膜，它在所测的电流密度下循环50次以上容量几乎没有衰减。W.Zhou等[21]制备的等级结构多边形NiO颗粒被证明比纳米片状NiO颗粒有更好的性能。可采用的方法之二是增加NiO的导电性，例如，E.Hosono等[22]采用化学水浴沉积法制备的Ni/NiO材料，每个NiO纳米颗粒均紧密沉积在泡沫镍衬底表面，导电性好，在所测循环次数内几乎没有容量衰减。X.H.Huang等[23]制备的原位复合纳米Ni的NiO/Ni纳米颗粒表现出比NiO更高的容量和首次库仑效率,并且制备了复合Ag纳米颗粒的NiO/Ag微球及NiO/Ag纳米多孔薄膜，都因导电性增强而使其循环性能得到了改善。可采取的方法之三是对NiO进行表面包覆，抑制其电极反应时的体积膨胀造成的粉化，例如，Y.Wang等[24]用脉冲激光沉积法制备了 MgO包覆NiO双层膜，包覆的MgO层抑制了 NiO与锂反应时的体积膨胀，有效防止了 NiO在循环过程中发生粉化，复合薄膜在2C的充放电倍率下循环150次后依然有近700mAh/g的容量。此外，还可将以上两种方法结合起来，将NiO与高导电的弹性相复合，同时改善NiO的导电性与结构稳定性。研究表明使用碳包覆能有效提高电极的电导率，改善活性材料的表面化学性能，同时避免电极直接与电解液接触，进而提高电池的循环性能。对纳米颗粒进行碳包覆不仅提高电极电导率还能有助于锂离子传输，提高其倍率性能[25] H.Huang等[26]在此方面进行了大量研究，他们将碳填入NiO颗粒的空隙中制备的NiO/C纳米复合材料，循环后的容量保持率明显高于与碳复合前的NiO颗粒。并且在多孔NiO薄膜表面包覆导电高分子材料制备了网状多孔Ni0/PED0T薄膜和NiO/PANI薄膜，不仅导电性得到了提高，而且结构也变得更加稳定，因而具有更好的循环稳定性。可见碳的加入缓解了锂离子脱嵌过程中的膨胀应力，但是循环过程中仍然存在较大的体积变化，导致材料基体的破坏，使材料失去活性。H.Qiao[27]等制备了 Ni0/C混合微球作为锂离子电池负极材料，不仅提高其导电性，还有效防止了充放电循环过程中NiO的粉化团聚，提高了材料的稳定性。综上所述，目前对于NiO负极材料的研究工作需进一步加强,解决纳米NiO材料的粉化、团聚问题，进一步提高材料的比容量、比功率以及长期的稳定性，从而提高锂离子电池的电化学性能。参考文献:[I]张文保，倪生麟.化学电源导论[M].上海:上海交通大学出版社，1992，148-185.[2]郭丙馄，徐徽，王先友，等.锂离子电池[M].长沙:中南大学出版社，2002，25-101.[3]雷永泉，万群，石永康.新能源材料[M].天津:天津大学出版社，2000，114-158.[4]A.K.Shukla, T.PremKumarl.Materialsfornext-generation lithiumbatteries[J].Current Science, 2008, 94(3):314-331.[5]X.Y.Deng, Z.Zhong.Preparation of nano-NiO by precipitationand reaction in solution and competitive balance.Materials Letters,2004，58:276-280.[6]Y.J.Qi, H.Y.Qi, J.H.Li, C.J.Lu.Synthesis, microstructures and UV-visabsorption Properties of beta-Ni (OH)2nanoplates and NiO nanostructures.Journalof Crystal Growth, 2008, 310(18):4221-4425.[7] S.A.Needham, G.Y.Wang, Η.K.Liu.Synthesis of NiO nanotubes foruse as negative eleetrodes in lithium ion batteries.Journal of Power本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳/纳米NiO复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一，制备纳米NiO采用溶胶凝胶法制备纳米NiO粉体，以醋酸镍为镍源，柠檬酸为螯合剂，所述醋酸镍浓度为0.6mol/L，醋酸镍与柠檬酸的摩尔比为1:1，溶于50ml乙二醇，采用40%的HNO3溶液调节pH=1，升温至80℃，所述升温速率为5℃/min，将溶液蒸发至总量的1/3得到绿色透明溶胶，130℃下真空干燥12h得到绿色干凝胶，转移至马弗炉中600?800℃焙烧2?5h,研磨得纳米NiO粉体;步骤二，改性纳米NiO粉体及制备NiO/SiO2核壳结构材料将1g步骤一中所制得的纳米NiO粉体加入至10ml表面改性剂中，在室温下磁力搅拌30min，制得表面修饰后的纳米NiO粉体；室温下，把正硅酸乙酯、甲酸和去离子水混合，加入表面修饰后的纳米NiO粉体，在室温下磁力搅拌6?10h，将磁力搅拌后形成的固体材料在40℃下真空干燥12h,取出固体冷却至室温，然后用去离子水洗至中性，再将样品在40℃下真空干燥一段时间，除去其中的水分制得NiO/SiO2核壳结构材料，所述正硅酸乙酯、甲醇和去离子水的体积比为10:1:4，该正硅酸乙酯、甲醇和去离子水的混合物与表面修饰后的纳米NiO粉体的质量比为15:1;步骤三，制备碳/纳米NiO复合材料选取有机碳源,将0.2g步骤二中所制得的NiO/SiO2核壳结构材 料加到40ml的有机碳源中，超声波震荡使其分散均匀，将上述溶液放入烘箱中180℃加热4h，将所得的褐色沉淀物60℃下干燥12h;完成后将褐色粉末在氮气气氛、温度为300℃下焙烧得到碳/纳米NiO复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳/纳米NiO复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一，制备纳米NiO 采用溶胶凝胶法制备纳米NiO粉体，以醋酸镍为镍源，柠檬酸为螯合剂，所述醋酸镍浓度为0.6mol/L，醋酸镍与柠檬酸的摩尔比为1:1，溶于50ml乙二醇，采用40%的HNO3溶液调节pH=l，升温至80°C，所述升温速率为5°C /min,将溶液蒸发至总量的1/3得到绿色透明溶胶，130°C下真空干燥12h得到绿色干凝胶，转移至马弗炉中600-8001^^^^2-51!，研磨得纳米NiO粉体； 步骤二，改性纳米NiO粉体及制备Ni0/Si02核壳结构材料 将Ig步骤一中所制得的纳米NiO粉体加入至IOml表面改性剂中，在室温下磁力搅拌30min,制得表面修饰后的纳米NiO粉体； 室温下，把正硅酸乙酯、甲酸和去离子水混合，加入表面修饰后的纳米NiO粉体，在室温下磁力搅拌6-10h，将磁力搅拌后形成的固体材料在40°C下真空干燥12h，取出固体冷却至室温，然后用去离子水洗至中性，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：于先进，张丽鹏，董涛，穆洁尘，杨李娜，王倩楠，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：