[发明专利]氧化镍纳米颗粒/碳纳米头盔复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氧化镍纳米颗粒/碳纳米头盔复合材料(NiO/CNHs)的制备方法及其在锂离子电池中的应用。该复合材料的制备步骤如下：a、制备SiO₂纳米球；b、在SiO₂球上覆盖酚醛树脂涂层(RF)形成RF/SiO₂；c、用水热法在RF/SiO₂上制备Ni(OH)₂；d、将所制备的Ni(OH)₂/RF/SiO₂在Ar气氛中退火使Ni(OH)₂转化为NiO同时使RF碳化，再用NaOH溶液将SiO₂彻底腐蚀得到NiO/CNHs。作为锂离子电池的负极材料，NiO/CNHs在0.2A g^‑1电流密度下循环100圈的容量高达1768mAh g^‑1；在5A g^‑1电流密度下循环1500圈的容量为424mAh g^‑1；在10A g^‑1电流密度下的容量为453mAh g^‑1。本发明为研发综合性能优异的锂离子电池提供了新的思路。

技术领域：

本发明涉及氧化镍纳米颗粒/碳纳米头盔复合材料(NiO/CNHs)的制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术：

清洁高效的能源存储设备在应对能源危机、减少温室气体排放方面起着至关重要的作用。锂离子电池(LIBs)是目前的首选，尤其是对于便携式电子设备。其面临的主要挑战在于发展可逆比容量高、循环稳定性和倍率性能优异的电极材料。作为商用锂离子电池的负极材料，石墨的理论容量非常低，只有372mAh g^-1，这远远达不到大规模应用的要求，比如新能源汽车。最近，过渡金属氧化物因具有非常高的理论容量而被认为是LIBs负极材料的一种选择。然而，像NiO这样的过渡金属氧化物在锂离子电池中的电化学性能受限于两个方面：一是充放电过程中Li⁺嵌入/脱嵌使其体积变化巨大；另外，它们本身的导电性非常差。为了解决这两个问题，科研人员进行了多方面的尝试，例如：将NiO与高电导性的弹性介质，比如碳纳米管，石墨烯，碳纤维，介孔碳球等结合；制备NiO空心结构；合成超小NiO纳米晶等等。最近，楼雄文教授课题组设计了把NiO纳米片层生长在碳纳米颗粒上的空心碗状异质结构。这种结构结合了空心结构和高电导性介质的优点，并提高了活性材料的堆垛密度。因此，它在锂离子电池中表现出优良的电化学特性，例如在0.2A g^-1的电流密度下循环150圈后可逆容量为950mAh g^-1。然而这种结构仍存在一些问题：(1)其空心碳纳米颗粒的内壁没被利用；(2)颗粒之间只能是NiO-NiO的接触，增大了内阻；(3)封闭空间的存在不利于电解液充分浸润活性材料。

发明内容：

本发明的目的是制备氧化镍纳米颗粒/碳纳米头盔复合材料(NiO/CNHs)并应用于锂离子电池。独特的开放式头盔结构使NiO/CNHs异质结材料充分利用了碳骨架的内壁，为Li⁺嵌入/脱嵌提供了大量额外的活性位点，并且能有效缓冲NiO在充/放电循环中巨大的体积变化。另外，颗粒之间为NiO与碳的接触，大大降低了内阻。此外，多孔碳骨架提供了高效的电解液扩散路径。因此，NiO/CNHs异质结电极在锂离子电池中表现出优异的电化学性能。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种氧化镍纳米颗粒/与碳纳米头盔的复合材料(NiO/CNHs)的制备方法，包括以下步骤：

a、通过改进的方法合成直径为300～400nm的SiO₂纳米球：将60～65ml的异丙醇与20～24ml超纯水和10～15ml氨水混合搅拌均匀，加入0.5～0.8ml正硅酸乙酯，室温搅拌30～60min，再滴加4～6ml正硅酸乙酯，30～40℃搅拌2～3h，将产物离心再用水和酒精清洗3～5次，70～80℃真空干燥10～12h；