[发明专利]多元异质结构纳米复合材料及可控制备方法与锂离子电池

说明书

本发明公开多元异质结构纳米复合材料及可控制备方法与锂离子电池。所述可控制备方法，以蚕丝蛋白为模板，以硝酸铁为铁源，硝酸铜为铜源，采用一步水热法，通过控制蚕丝蛋白水溶液的浓度、水热反应的温度和水热反应的时间，制备得到多元异质结构纳米复合材料。本发明以蚕丝蛋白为生物模板和衍生碳源，以硝酸铁为铁源，硝酸铜为铜源，采用一步水热法，通过控制蚕丝蛋白水溶液的浓度、水热温度或水热时间，就能可控制备Fe₂O₃单元、Fe₂O₃‑CuO二元或Fe₂O₃‑CuO‑Cu₂O三元纳米复合材料。相比于现有技术，一步水热法，方法简便快捷，而且无需添加其它任何无机物或有机物，绿色环保。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，尤其涉及多元异质结构纳米复合材料及可控制备方法与锂离子电池。

背景技术

纳米材料是指在三维空间内至少有一个维度处于纳米尺度范围(1-100nm)内的材料或以其为基本结构单元构筑的材料。由于具有特殊的表面效应、小尺寸效应、量子尺度效应等理化性质，纳米材料广泛应用于光电、催化、生物医药等领域。然而，在很多情况下，单一的纳米材料依靠单一的性能，往往不能满足实际应用的需求。随着纳米科技及表面、界面科学的发展，研究表明，通过复合两种或两种以上的纳米材料制得多元异质结构纳米复合材料，可实现多功能性质，进而设计和制造新型的材料与器件。因此，多元异质结构纳米复合材料是纳米材料研究中的一个重要方向。

近年来，过渡金属氧化物纳米材料由于具有较高的理论比容量(通常超过1000mAh/g)、较好的高倍率充放电性能等突出优势，是锂离子电池负极材料的首要选择之一。然而，单组分的过渡金属氧化物独自作为锂离子电池电极材料具有局限性，例如初始不可逆容量的损失和过度充放电循环，容易导致锂离子电池容量保留率的不理想，相对于商业标准(循环400-1200圈)来说，是令人不满意的。对于这种情况，一方面，研究者通过复合碳材料来提高过渡金属氧化物的电化学性能。另一方面，通过杂交不同的过渡金属氧化物得到新颖的异质结构纳米复合材料，由于彼此之间的协同作用，表现出优异的电化学性能。诸如Co₃O₄/CuO，Fe₃O₄/Co₃O₄，Co₃O₄/NiCo₂O₄等异质结构纳米复合材料，其电化学性能已被证明优异于单组分材料的。

电极材料的结构与性能息息相关，如何实现结构的有效调控是纳米材料制备过程中面临的主要问题。目前，过渡金属氧化物纳米材料的制备方法多种多样，通常有氧化还原法、气相沉积法、溶剂热法、模板法和静电纺丝法等。其中，模板法可以有效控制纳米材料的尺寸与结构，但目前使用的模板大多制备工艺繁琐、环境不友好、不可降解，限制了纳米材料的大量生产。天然高分子桑蚕丝蛋白，来源丰富、可再生可降解，既是一种良好的蛋白质衍生碳材料，也是一种天然的生物模板。其晶区主要以高度重复的六肽氨基酸序列(Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)形成反平行的β-折叠结构，这特殊的结构和规则的尺寸为制备独特的无机纳米材料提供了天然模板，可以调控生成不同形貌的无机纳米材料，方法简单方便、绿色环保。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多元异质结构纳米复合材料及可控制备方法与锂离子电池，旨在提供一种以蚕丝蛋白为模板，调控生成多元异质结构纳米过渡金属氧化物。

本发明的技术方案如下：

一种多元异质结构纳米复合材料的可控制备方法，其中，以蚕丝蛋白为模板，以硝酸铁为铁源，硝酸铜为铜源，采用一步水热法，通过控制蚕丝蛋白水溶液的浓度、水热反应的温度和水热反应的时间，制备得到多元异质结构纳米复合材料。

进一步地，所述多元异质结构纳米复合材料的可控制备方法，包括步骤：