[发明专利]一种锂离子电池负极材料的制备方法及应用

说明书

本发明为一种锂离子电池负极材料的制备方法及应用，通过室温搅拌的方法合成了V₂O₅@ZIF‑8‑6，以此作为前驱体通过高温煅烧制备了ZnVO‑6。通过延长ZIF‑8包覆V₂O₅的时间，会使V₂O₅颗粒溶解在甲醇中，从而使其尺寸变得更小，并且随着反应时间的延长会有更多的V₂O₅进入ZIF‑8的孔道，进而得到小尺寸的V₂O₅和ZIF‑8的复合物。本发明第一次通过一种新的途径利用MOFs负载纳米材料。通过高温煅烧V₂O₅@ZIF‑8‑6，利用ZIF‑8的多孔和包覆性质，会得到氮掺杂的碳包覆小尺寸的V₆C₅和ZnV₂O₄(ZnVO‑6)，通过电化学测试表ZnVO‑6应用于锂离子电池负极材料很大程度地上提高了钒基化合物的电化学性能。

【技术领域】

本发明属于功能性材料制备技术领域，涉及一种MOFs和V₂O₅复合材料及其衍生物的制备方法以及应用于锂离子电池负极材料。

【背景技术】

随着经济的持续快速发展，能源问题已成为人类进入21世纪最重要的问题。由于化石燃料的急剧减少以及环境问题的日益严重，因此清洁能源的开发和利用是解决能源和环境问题的重大关键。目前对新能源的开发主要集中在太阳能、潮汐能、风能、氢能源、地热能、生物能、核能等。然而能源本身有时间和空间的限制，为了更好地利用新能源，能源储存与转化器件的发展是至关重要的。下一代的能量储存与转化器件应该具有更高的能量和功率密度，更长的循环寿命，安全，环境友好等特点。在众多的能量储存与转化器件中，锂离子电池由于其较高的能量密度，长的循环寿命，无记忆效应、低的自放电以及环境友好等优点被认为是目前最好的电化学能量储存与转化器件。自从1991年索尼公司将第一款锂离子电池推向市场以来，锂离子电池已成为手机、笔记本电脑和其他便携式电子产品的主导电源。近年来电动汽车以及智能电网快速发展，这对锂离子电池能量和功率密度，循环寿命，安全问题提出了更高的要求。然而目前商业化的石墨负极材料的理论容量仅有372mA h g^-1，工业生产的石墨负极已经相当的接近理论容量，因此远不能满足经济快速发展的需求。钒基负极材料由于具有高的理论比容量，环境友好，价格低廉，因而受到了广泛的关注，但是由于其较差的导电性以及体积膨胀导致材料粉化，这在很大程度上限制了它的实际应用。

金属-有机框架材料(MOFs)是一类组分可调和有序多孔的晶态材料，因其高的比表面积和孔体积广泛应用于催化和气体的储存和分离。基于MOFs含有的有机配体，有很多关于碳化MOFs提供碳源增加纳米材料电化学性能的报道。然而涉及有关利MOFs的多孔和包覆性质抑制纳米材料在高温煅烧时发生团聚，减小材料的尺寸，进而增加材料电化学性能的报道却少有涉及。

【发明内容】

本发明的目的是针对钒基纳米材料由于其较差的导电性和嵌锂时较大的体积膨胀而导致较差的比容量和循环稳定性难于得到实际应用的问题，提供了一种氮掺杂的碳材料包覆钒基纳米粒子的制备方法。

本发明选用ZIF-8作为包覆层和载体，在室温的条件下持续反应六天，得到ZIF-8包覆和负载V₂O₅(即V₂O₅@ZIF-8-6)，通过惰性氛围下高温热解制备了氮掺杂的碳材料包覆钒基纳米粒子的复合材料(即ZnVO-6)，此衍生物复合材料很好的提高了钒基纳米材料的循环稳定性，比容量以及倍率性能。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，首先根据文献合成了V₂O₅纳米棒，然后通过室温搅拌的方法合成了V₂O₅@ZIF-8-6，以此作为前躯体在氩气气氛下750℃煅烧3h，得到衍生物ZnVO-6；具体步骤如下：