[发明专利]一种MOF衍生的ZnO@C复合材料及其应用

说明书

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，具体涉及一种MOF衍生的ZnO@C复合材料及其应用；以ZIF‑8为金属源，以单宁酸为有机配体，通过化学蚀刻、热解、氧化得到MOF衍生的ZnO@C复合材料；所述C为无定型碳；所述ZnO为空心纳米颗粒；本发明不仅使得ZnO纳米颗粒与碳基质均匀分布，并且提高了电极材料的导电性，还有效的地缓解金属颗粒的聚集。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，具体涉及一种MOF衍生的ZnO@C复合材料及其应用。

背景技术

锂离子电池的可持续发展很大程度上都依赖于具有高倍率、长寿命的新型电极材料的开发，尤其重要的是具有高比容量，良好循环稳定性的负极材料的发展。但是，商用石墨负极用于LIBs的理论容量有限(372mAh·g^-1)，阻碍了其广泛应用。克服这个问题的关键在于设计具有更好电化学性能的负极材料。在这方面，过渡金属氧化物(TMOs)由于其理论容量大的优点而成为最有前途的活性材料之一，其理论容量至少是传统石墨的3倍。其中，氧化锌(ZnO)的理论比容量为978mAh·g^-1，并且，ZnO由丰富、廉价且对环境无害的化学元素组成。因此，ZnO作为替代负极材料引起了广泛关注。但是，ZnO的电化学性能不能令人满意，例如由于其体积变化大，连续循环过程中电导率低，因此反应动力学慢，容量下降严重。因此，迫切需要对ZnO材料进行改性以提升其电化学性能。

为了解决以上困难，除了用各种策略来制备纳米尺寸的ZnO颗粒外，也可将其设计为多种形式的纳米结构ZnO电极，例如纳米管、纳米球和具有多孔特征的花形，从而改善锂离子的扩散动力学并提供缓冲空间，以适应重复循环中发生的结构应变。另外，将ZnO颗粒与导电碳复合，也是提高ZnO电极的电导率、循环稳定性和倍率性能的另一条有效方法。过去几年中，常用石墨烯或多孔碳等碳材料作为碳基质。然而，将ZnO颗粒与形成的碳基质均匀复合是非常困难的，而有机配体更可能与Zn²⁺或ZnO颗粒形成更强的相互作用。并且，金属离子与有机配体形成的金属有机框架(MOF)具有高孔隙率、大比表面积、孔径可调等结构优点，因此，最近常将金属有机框架(MOF)的有机配体作为碳基质的碳源。

如专利申请号CN201911081049.3公开了一种基于MOFs衍生金属氧化物碳纳米纤维电极材料的制备方法，所属锂离子电池负极材料技术领域；其制备方法：将MOFs粒子和聚丙烯腈纤维混合的N-N二甲基甲酰胺(DMF)溶液作为纺丝前驱体，通过静电纺丝将MOFs串接在聚丙烯腈纤维上得到前驱体薄膜，经后续的预氧化和碳化处理，制备出MOFs衍生的金属氧化物@碳纳米纤维复合材料；MOFs衍生的金属氧化物可以保持前驱体MOF材料独特的框架结构用来作为锂离子存储器，碳纳米纤维可以促进电子快速转移以提高电极材料的电导率，将具有独特结构的金属有机框架(MOFs)衍生材料(金属氧化物)镶嵌在碳纳米纤维上形成一种三维导电网络结构，作为锂离子电池负极材料展示出较高的可逆比容量和优异的循环性能；而以上公开的专利技术，在制备高比容量金属氧化物@碳纳米纤维复合材料的过程中只考虑了提高复合材料的导电性，没有考虑到材料在充放电过程中，金属氧化物的脱落问题，以及操作的成本和便捷等问题。

又如专利申请号CN201910559086.4公开了一种用作锂离子电池的氮掺杂碳包覆氧化锌材料及其制备方法。所述氮掺杂碳包覆氧化锌材料为纳米颗粒结构，纳米颗粒之间松散无序排列，形成多孔微结构。所述氮掺杂碳包覆氧化锌的通过水热合成MOF前驱体材料，通过将前驱体MOF材料高温碳化形成。以氮掺杂碳包覆氧化锌材料作为锂离子电池电极，在100mA·g^-1的电流密度下充放电循环500圈后表现出608mAh·g^-1的高比容量具有稳定的循环性能，且制备方法操作简单、绿色环保，低成本的优点，利于产业化；而该专利技术，在制备氮掺杂碳包覆氧化锌材料时，只考虑到了缓解金属氧化物在循环中的体积膨胀，没有考虑到材料的导电性以及金属氧化物颗粒团聚等问题。