[发明专利]一种金属有机骨架衍生的介孔碳包覆锡酸锌纳米棒材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属有机骨架衍生的介孔碳包覆锡酸锌纳米棒材料及其制备方法，其可用于锂离子电池的负极材料，介孔碳包覆的锡酸锌纳米棒，其形貌为纳米棒结构，长度为40～70nm，其表面的的介孔孔径分布为4～8nm，碳含量为5～8wt％。本发明的有益效果是：结合一维纳米棒以及介孔碳材料的优势，在作为锂离子电池负极材料时，纳米棒结构减小了晶粒尺寸，极大地缩短了锂离子的传输路径，增加了电极材料表面的活性位点。介孔的碳骨架可以作为锂离子脱嵌反应时的体积膨胀的缓冲层，增大电极材料的比表面，使活性物质与电解液充分接触，从而极大地提高了电化学性能。该方法的工艺简单，成本低廉，有利于市场化推广。

技术领域

本发明涉及纳米材料及电化学储能技术领域，具体涉及一种金属有机骨架衍生的介孔碳包覆锡酸锌纳米棒材料及其制备方法，其可用于锂离子电池的负极材料。

背景技术

为应对人口增长带来的挑战，人类对能源储存和转换的需求急剧增加。化石燃料的过度消耗，造成了不可再生能源日益枯竭和全球环境恶化。因此，更环保的可持续能源以及高效的能源转换技术显得至关重要。锂离子电池作为储能技术的核心产物已经应用于各个领域。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨，但由于石墨的理论容量较低(LiC₆，372mAh/g)，限制了锂离子电池的发展。

混合过渡金属氧化物由于其高理论密度，高功率密度和广泛的实用性，成为了替代石墨的热门选择。在众多的混合过渡金属氧化物中，锡酸锌由于其独特的性质和广泛的应用而受到更多关注。锡酸锌的形态和结构相对容易控制，包括零维纳米颗粒、一维纳米线、二维纳米片和三维纳米结构都展现出对锂离子电池负极材料性能的巨大改进。在第一次电化学反应中，产生额外的Zn离子可以进一步与锂合金反应，提供更高的容量。与钴相比，锌在地表的储量更多而且更加环保。

然而，金属氧化物不可避免地存在导电性较差，容量衰减过快的问题。研究人员往往通过对其结构形貌进行优化，调控尺寸大小，来缩短离子传输的有效路径。增大活性物质与电解液的接触面积从而提高了电极材料的电化学性能。高度石墨化的碳基材料可以提高电子传输速率，从而可以提高锂离子电池中电极材料的导电性，通过高度石墨化也可以改善电极材料的电化学稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种金属有机骨架衍生的介孔碳包覆锡酸锌纳米棒材料及其制备方法和应用，锡酸锌负极材料可以有效地缓冲锂离子电池充放电过程中的体积变化，并提供增大的比表面积从而提升锂离子电池的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：金属有机骨架衍生的介孔碳包覆锡酸锌纳米棒材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将锌盐和锡盐分别溶于去离子水和乙二胺中，搅拌均匀；

2)将步骤1)中两种溶液混合，然后加入一定量的碱性矿化剂，加热搅拌；

3)将步骤2)中得到的混合溶液进行水热反应，然后取出自然冷却至室温；

4)将步骤3)中所得到的产物进行离心洗涤，干燥，得到锡酸锌纳米棒；

5)将步骤4)得到的锡酸锌纳米棒放置于铺有2-甲基咪唑的培养皿中，将培养皿置于真空条件下加热得到金属有机骨架包覆的锡酸锌；

6)将步骤5)得到的金属有机骨架包覆的锡酸锌取出，在惰性气体下进行热处理，得到金属有机骨架衍生的介孔碳包覆的锡酸锌纳米棒。