[发明专利]具有光子晶体结构锂离子电池负极材料生物模板制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料相关技术领域，尤其是涉及一种具有光子晶体结构锂离子电池负极材料生物模板制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其高的能量密度和功率密度、低的自放电率、循环性能好、以及安全、可靠，成为各种电子产品的首选电源。随着各种电子产品高功率和小型化的发展，对锂离子电池的容量就提出了越来越高的要求。而高比容量的负极材料的研发就成为了提高锂离子电池容量的关键。

石墨材料具有电极电位低、循环稳定性好以及廉价易得等优点，而成为目前唯一商用的锂离子电池负极材料。但是受限于其372mAh g^-1的理论容量，其容量难以满足便携式电子产品日益增长的容量需求。而各种金属氧化物如SnO₂材料由于其理论容量可达790mAh g^-1，是石墨材料的两倍多，并且具有电极电位低、来源广泛、环境友好以及价格低廉的优点而成为下一代锂离子电池负极材料的热门候选。但是由于SnO₂在作为锂离子电池负极材料时，其放电-充电反应所对应的合金化-去合金化过程伴随着体系体积的剧烈膨胀和收缩，体系在嵌锂前后的体积的膨胀可以达到300％。而随着实验的进行，剧烈的体积变化造成材料结构的崩塌，从而其容量急剧衰减。

为了应对这一问题，广大科技工作者进行了包括纳米结构设计等各种各样的尝试。例如：Ye等人利用SiO₂硬模板法制备了SnO₂纳米管状结构，Wang等人制备了管状的SnO₂和碳的复合结构，Luo等人制备了碳包覆SnO₂空心球结构的纳米材料，结果表明纳米结构设计能够在一定程度上改善SnO₂类负极材料的电化学性能。而在众多纳米结构中，光子晶体结构由于其不但能够为锂离子的迁移提供等效的扩散路径，并且其阵列纳米结构可以为充放电过程中的体积膨胀提供缓冲，而引起了科技工作者的兴趣。例如：Ozin等人利用硬模板法制备了具有周期性反蛋白石光子晶体结构的硅材料，结果表明其容量在经过154个循环后仍能保持91％；而类似的Stein等人制备了具有同样反蛋白石结构的多孔碳块体结构，该材料在作为锂离子电池负极材料时也表现出了优异的性能。但是，上述方法进行光子晶体结构制备的方法结构单一并且工艺复杂，限制了其大规模推广。

申请号为201210244121.1的中国专利公开了基于蝴蝶翅膀单个鳞片生物模板制备磁性光子晶体的方法，对整个蝴蝶生物模板进行表面预处理；配制前躯体金属溶胶凝胶溶液；将处理好的生物模板放入配置好的前躯体溶液中浸渍处理；浸渍结束后，取出样品，用蒸馏水冲洗，干燥；在显微镜的帮助下，挑取浸渍后的单个鳞片，烘箱干燥；焙烧去掉单个鳞片的生物模板，就得到保持光子晶体结构的单个蝴蝶鳞片的三氧化二铁材料；再经过进一步的在氢氩混合气体中烧结还原，得到保持光子晶体结构的单个蝴蝶鳞片磁性四氧化三铁材料。该专利所制备得到的是磁性光子晶体，并且存在两个极大不足。一、其制备过程经过二次煅烧，工艺不易控制，并且所制备样品形貌难以精确复制；二、其所制备的光子晶体材料为蝶翅单鳞片，尺寸极小(为30μm)，不利于大规模生产。而本申请在制备方法上为一次煅烧，并且可以较好的保持生物模板的形貌；所制备的光子晶体为宏观材料，能够满足所应用领域的需求；最重要的是本申请拓展了生物模板光子晶体结构在锂离子电池负极材料领域的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种循环性能更好的具有光子晶体结构锂离子电池负极材料生物模板制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

具有光子晶体结构锂离子电池负极材料生物模板制备方法，以天然生物结构为模板，通过浸渍、干燥、煅烧工艺，制备得到三维光子晶体结构的锂离子电池负极材料采用以下步骤：

(1)选用具有光子晶体结构的生物模板，对其进行预处理；

(2)配制浓度为0.1mol/L～1mol/L的前躯体溶胶凝胶溶液；

(3)将处理好的生物模板放入配制好的前躯体溶胶凝胶溶液浸渍处理；

(4)用无水乙醇及去离子水冲洗前步处理的样品，并在干燥后进行煅烧，得到具有光子晶体结构锂离子电池负极材料。

所述的生物模板为蝶翅、甲虫壳或鸟类羽毛。

利用稀盐酸对生物模板进行预处理。

所述的前躯体溶胶凝胶溶液的溶质为锡、钴、铁或镍的氯化物或硝酸盐，溶剂为水、乙醇或其混合物。