[发明专利]一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/氮掺杂碳复合材料的制备方法

说明书

本发明为一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/氮掺杂碳复合材料的制备方法。该方法应用低温聚合反应制备出聚吡咯，再用聚吡咯烧制制备出氮掺杂碳，之后用溶胶凝胶法制备出氧化锌/氮掺杂碳复合材料。相对于其他碳材料，本发明的氮掺杂碳中的氮元素可以改变碳原子周围的电子云分布，有效防止碳原子的团聚，使得氮掺杂碳材料相较与普通其他碳材料有更优异的导电性和化学稳定性。

技术领域：

本发明涉及锂离子电池负极材料的技术领域，特别涉及一种锂离子电池用氧化锌/氮掺杂碳复合材料的制作方法。

背景技术：

二十一世纪，随着电子工业的发展，锂离子电池应用的越来越广泛。对于其容量以及稳定性的要求越来越高。而商业用的石墨负极材料已经难以满足人们对高比容量电池的需求。为此，许多科学工作者都在寻找更好的负极材料来代替石墨负极。

理论比容量是衡量负极材料性能的一个重要参数，由于氧化锌的高理论比容量(978mAh/g)而成为科学家们研究的热点。氧化锌资源丰富、环境友好且在充放电过程中Li⁺嵌入/脱嵌反应的电压范围为0-0.5V，有利于锂离子电池的工作电压。但是由于氧化锌材料的低导电性以及其在充放电过程中的体积膨胀效应，严重影响了氧化锌的循环性能以及倍率性能。近年研究表明：1、通过制备纳米结构的氧化锌材料能够改善氧化锌的循环性能同时提高导电性；2、制备氧化锌与导电材料的复合材料能够有效改善氧化锌体积膨胀效应从而提高其循环稳定性。例如，CN104022268A报道了一种锂离子电池用氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，是一种利用氧化石墨与锌盐搅拌后水热反应并在惰性气体中烧制制备氧化锌/石墨烯的复合材料的方法。但是上述专利存在以下缺点：1.氧化锌在石墨烯上分散不均匀，容易导致团聚，影响电化学性能；2.氧化锌/石墨烯复合材料循环稳定性较差；3.氧化锌/石墨烯负极材料的操作步骤复杂且制备周期长。因此，在制备氧化锌锂离子电池负极材料的工艺中，解决氧化锌体积膨胀效应、导电性差等问题，是改善氧化锌负极材料电化学性能的关键。

为了解决上述问题，本专利采用氮掺杂碳与氧化锌复合。选用聚吡咯为富氮前驱体，来制备氮掺杂碳材料。氮在元素周期表中位于第VA族，与碳原子相邻，原子半径也与碳原子的半径接近，因此氮原子的掺杂可使碳材料的晶格畸变较小。并且氮原子的引入势必会增加碳材料的缺陷位，从而在电催化或电化学反应中使反应活性增加。另外这些含氮官能团更易于与金属离子结合，从而更有利于金属离子负载分散到碳材料的表面，提高其电化学性质。氧化锌与氮掺杂碳复合不仅可以提高氧化锌的导电性、改善其体积膨胀效应，同时氮掺杂碳有良好的储锂能力，能够增加复合材料的比容量。与其他碳材料相比，氮元素的掺杂，可以有效防止碳的团聚，增加导电性，提高其电化学性能。

发明内容：

本发明的目的是针对当前锂离子电池负极材料氧化锌存在的导电性差，体积膨胀严重等缺点，以及用其制备出的锂电池生产成本高、操作步骤复杂、首次充放电容量低的缺陷，提供一种可用于锂离子电池负极的氧化锌/氮掺杂碳复合材料的制备方法。该方法应用低温聚合反应制备出聚吡咯，再用聚吡咯煅烧制备出氮掺杂碳，之后用溶胶凝胶法制备出氧化锌/氮掺杂碳复合材料。相对于其他碳材料，本发明的氮掺杂碳中的氮元素可以改变碳原子周围的电子云分布，有效防止碳原子的团聚，使得氮掺杂碳材料相较与普通其他碳材料有更优异的导电性和化学稳定性。

本发明的技术方案为：

一种锂离子电池用氧化锌/氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将CTAB溶解在去离子水中，再加入吡咯，搅拌2-10h后冷却到1-10℃；其中，每升溶剂加6.67～20g CTAB、0.667～6mL吡咯；

步骤二：将氧化剂溶液冷却到1-10℃后加入到上步得到的溶液中聚合反应12-24h，然后将沉淀过滤，清洗，之后再在50-70℃下干燥过夜，得到聚吡咯；

其中，摩尔比氧化剂：吡咯单体＝1：1～10；氧化剂溶液的浓度为每20-80ml去离子水含2-8g氧化剂；