[发明专利]一种氧化锌/镍复合微米棒电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化锌/镍复合微米棒电极材料及其制备方法，该方法为：采用均相沉淀法，以硝酸锌、硝酸镍和乙二胺的混合溶液为原料制备前驱体，然后在氢氩混合还原气氛中煅烧制得氧化锌/镍复合微米棒材料。该材料用于锂离子电池负极材料时，具有首次库仑效率高、可逆容量高和循环稳定性好等优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料，具体涉及一种氧化锌/镍复合微米棒电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因单体电池电压高、能量及功率密度大、循环寿命长等优点，已经占据了二次电池市场的主导地位，成为最主要的电能存储器件。锂离子电池性能的提升，主要取决于电极材料技术的发展。在现有的商业化的锂离子电池中，其负极材料主要还是传统的石墨材料，其较低的理论容量(372 mAh/g)严重限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。

氧化锌作为一种新型的锂离子电池负极替代材料，其理论容量约为900 mAh/g，远高于石墨材料。尽管高容量优势让它表现出很大的应用潜力，但其商业化应用却始终没有实现。这主要是因为氧化锌直接作为负极材料使用时存在两个严重问题：(1) 氧化锌的首次库仑效率低下。常规氧化锌粉末电极材料的首次库仑效率一般低于50%，这是因为氧化锌的首次放电产物（氧化锂与固态电解质膜）在随后的首次充电过程中不能完全分解，充电反应进行不彻底。(2) 氧化锌的循环性能低下。常规氧化锌粉末电极材料往往在循环初期容量就急剧衰减，这是因为氧化锌材料在充放电过程中存在严重的体积膨胀与收缩，使颗粒迅速粉化而失效。

为了提高氧化锌负极材料的电化学性能，研究人员常用的常规手段是纳米结构化。这种手段往往能增强材料的循环稳定性，但对材料首次库仑效率的提高无明显效果。纳米结构材料一般具有极高的比表面积，往往导致更多副反应的发生，并不利于首次库仑效率的提高。

发明内容

本发明的目的是要提供一种用于锂离子电池负极，具有高首次库仑效率，可逆容量和循环稳定性都得到明显提升的氧化锌/镍复合微米棒材料及其制备方法。

一种氧化锌/镍复合微米棒电极材料的制备方法，其步骤如下：

(1) 采用均相沉淀法，对硝酸锌、硝酸镍和乙二胺的混合溶液进行均相沉淀反应制备前驱体，溶液中硝酸锌的浓度为0.20~0.25 mol/L，硝酸镍的浓度为0.02~0.05 mol/L，乙二胺的浓度为0.03~0.07 mol/L，反应温度为60~70 ^oC，反应时间为1~2 h。

(2) 将步骤(1)所得的前驱体粉末在氢氩混合还原气氛中煅烧，煅烧温度为300~500 ^oC，煅烧时间为0.5~3 h，得到氧化锌/镍复合微米棒电极材料。

所述氧化锌/镍复合微米棒电极材料中，氧化锌微米棒为基体，其长度为10~15 μm，直径为2~3 μm，所占质量分数为90%~95%；镍纳米颗粒分散在氧化锌微米棒基体中，其质量分数为5%~10%。

所述复合电极材料中，高活性金属镍纳米颗粒的引入对材料的电化学性能具有显著的增强作用，与常规氧化锌粉体材料相比，所述复合电极材料具有如下性能上的优点：

一、所述复合材料材料中的金属镍纳米颗粒由氢气还原制得，具有极高的电化学活性，在充电过程中，它可跟氧化锌首次放电后所生成的氧化锂发生电化学转换反应(其实质为氧化镍材料的储锂机理)，显著增大氧化锂参与充电反应的反应进度，提高充电容量；它还具有极高的催化活性，在充电过程中，可以将首次放电过程中因副反应生成的固态电解质膜在其催化作用下分解，也可贡献一部分充电容量。材料首次充电容量的提高同时导致其首次库仑效率的增大，所述复合电极材料在0.1 C下的首次库仑效率为70%~80%，首次可逆容量为800~900 mAh/g。