一种锂离子电池用含锌的氮掺杂多孔碳包覆锌基负极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池用含锌氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料，具有以ZnO纳米颗粒为核，以碳化ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用含锌的氮掺杂多孔碳包覆锌基负极材料


[0001]本专利技术属于新能源材料和锂离子电池领域，主要涉及到一种锂离子电池用含锌的氮掺杂多孔碳包覆锌基负极材料。

技术介绍

[0002]锂离子电池是便携式电子产品中最受欢迎的二次电池之一，具有最佳的能量密度，也是电动和混合动力汽车的首选电源。ZnO作为锂离子电池中常规石墨负极的潜在替代品是一种有吸引力的材料，因为据估计ZnO(978mAh/g)的理论容量要优于石墨(372mAh/g)。但是高容量负极(例如锌基)通常会遭受严重的容量衰减，这是由于锌颗粒的快速聚集以及锂离子嵌入过程中造成的巨大体积膨胀会导致负极材料粉碎和活性物质的电分离。目前，提高锂离子电池负极材料容量和循环性能的主要途径有碳包覆和离子掺杂。
[0003]各种碳材料已被广泛研究用于锂离子电池来改善负极材料的性能。金属有机骨架材料(MOFs)由于其多样的骨架结构、高比表面积、可调节的孔径以及开放的金属位点等特征，MOFs已经被证明是最有前途的用于制造纳米结构化的碳模板或前体。除上述优点外，通过在温和条件下组装各种金属离子/团簇和有机配体，MOFs就可以直接且经济高效地被合成。因此，无需任何处理设备，仅通过增加原料量就可以简单地大量生产。另外，已经注意到，由含氮MOFs衍生的氮掺杂碳材料，其表现出更强的电子传导性。沸石氮杂咪唑骨架(ZIF
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8)是一种含氮的MOF，它具有高稳定性、高表面积以及高孔隙率，是制备碳基质，增强锂离子电池电极材料循环稳定性的良好碳前体。
专利技术内容
[0004]本专利技术提出的利用理论容量更高的ZnO来代替锂离子电池的传统石墨负极，这提高了锂离子电池负极材料的容量。同时，使用含氮MOFs材料ZIF
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8作为多孔碳的前驱体对ZnO进行碳包覆，可解决现有锂离子电池负极容量低和循环性能差的技术问题。
[0005]本专利技术提出一种锂离子电池用含锌的氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将锌源加入到二乙二醇中，在搅拌条件下加热回流，冷却至室温，将悬浮液离心，取上清液中的胶体产物作为下一步合成的种子；
[0007]S2、将锌源加入到二乙二醇中，搅拌条件下加热到一定温度，而后向溶液中加入上清液中胶体产物，继续加热回流，冷却至室温后，将产物离心收集，分散在聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌一段时间，得到ZnO纳米粒子；
[0008]S3、将一定体积ZnO/聚乙烯吡咯烷酮溶液与2
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甲基咪唑按一定比例混合在N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，在室温下反应一段时间，对得到的产物进行离心洗涤并真空干燥，得到ZIF
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8包覆的ZnO(ZnO@ZIF
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8)材料；
[0009]S4、将得到的ZnO@ZIF
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8装在石英舟中，在惰性气体氛围下煅烧使ZIF
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8碳化，去除ZIF
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中的氢元素，即得到含锌的氮掺杂多孔碳包覆的ZnO(ZnO@氮掺杂多孔碳/Zn)锂离子电
池负极材料。
[0010]优选地，S1中，锌源为二水合醋酸锌；优选地，搅拌速度为350～450rpm，加热回流温度为155～165℃，回流时间为1～2h。
[0011]优选地，S2中，锌源为二水合醋酸锌；优选地，加热回流温度为155～165℃，回流时间为1～2h，聚乙烯吡咯烷酮溶液浓度为5％，搅拌时间为12～36h。
[0012]优选地，S3中，聚乙烯吡咯烷酮修饰的ZnO溶液体积为0.1～0.8mL，2
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甲基咪唑浓度为160mmol，反应时间为24～36h，洗涤剂为甲醇，真空干燥12～24h。
[0013]优选地，S4中，惰性气体为氮气、氩气中的一种或几种；优选地，以0.5～10℃/min的速率升温至600～800℃煅烧，保温2～4h。
[0014]本专利技术还提出了一种采用上述制备方法得到的锂离子电池用氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料。
[0015]本专利技术还提出了一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极采用上述锂离子电池用含锌氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料作为负极活性物质。
[0016]有益效果：本专利技术提出的锂离子电池用含锌氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料作为锂离子电池负极活性物质不仅能提高锂离子电池负极材料的容量，而且ZIF
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8多孔碳基质中的孔提供的空间，能够抑制ZnO颗粒的聚集并且缓冲嵌锂过程中ZnO的体积膨胀，这可以防止电池应用过程中ZnO负极材料发生机械崩解，从而提高材料的循环稳定性。
附图说明
[0017]图1为实施例1制备的ZnO材料透射电子显微镜图。
[0018]图2为实施例1制备的ZnO@ZIF
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8材料扫描电子显微镜图。
[0019]图3为实施例1制备的ZnO@ZIF
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8材料透射电子显微镜图。
[0020]图4为实施例1制备的ZnO@ZIF
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8材料X射线衍射图谱。
[0021]图5为实施例1组装成型的扣式电池的循环性能图。
具体实施方式
[0022]下面结合具体实施方式，对本专利技术作进一步说明，然而本专利技术的范围并不限于下述实施例。
[0023]实施例1
[0024]本专利技术提出的一种锂离子电池用含锌的氮掺杂多孔碳包覆的ZnO(ZnO@氮掺杂多孔碳/Zn)负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0025]S1：将5mmol二水合醋酸锌溶解在50mL二乙二醇中，在搅拌条件下加热至160℃回流反应1h。待冷却至室温，将悬浮液在4000rpm下离心3h，取上清液中的胶体产物作为下一步合成的种子；
[0026]S2：将3mmol二水合醋酸锌溶解在30mL二乙二醇中，在400rpm搅拌条件下加热到140℃时，向溶液中加入一定体积上清液中胶体产物，然后继续在160℃下加热回流反应1h。待冷却至室温后，将产物离心并用甲醇溶液洗涤3遍收集，然后分散在5％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中并搅拌24h。最后，将聚乙烯吡咯烷酮修饰的ZnO纳米粒子用甲醇溶液洗涤3遍，分散在30mL甲醇溶液中以备用；
[0027]S3：取0.1mL聚乙烯吡咯烷酮ZnO悬浮液离心收集并重新分散在1.5mL去离子水中。然后将该溶液与2
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甲基咪唑(160mmol)的N,N
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二甲基甲酰胺(4.5mL)溶液混合，在室温下反应24h。得到的产物在7000rpm下离心5min收集，用甲醇溶液洗涤3遍并真空干燥12h，得到ZIF
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8包覆的ZnO(ZnO@ZIF
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8)壳核材料；
[0028]S4：将得到的ZnO@ZIF
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8壳核材料装在石英舟中，在氩气氛围下600℃加热3h，即得到含锌的氮掺杂多孔碳包覆的ZnO(ZnO@氮掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用含锌氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料，其特征在于，具有以ZnO纳米颗粒为核，以碳化ZIF
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8骨架为壳的核壳结构。2.一种如权利要求1所述锂离子电池用含锌氮掺杂多孔碳包覆的锌基负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将锌源加入到二乙二醇中，在搅拌条件下加热回流，冷却至室温，将悬浮液离心，取上清液中的胶体产物作为下一步合成的种子；S2、将锌源加入到二乙二醇中，搅拌条件下加热到一定温度，而后向溶液中加入上清液中胶体产物，继续加热回流，冷却至室温后，将产物离心收集，分散在聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌一段时间，得到ZnO纳米粒子；S3、将一定体积ZnO/聚乙烯吡咯烷酮溶液与2
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甲基咪唑按一定比例混合在N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，在室温下反应一段时间，对得到的产物进行离心洗涤并真空干燥，得到ZIF
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8包覆的ZnO(ZnO@ZIF
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8)材料；S4、将得到的ZnO@ZIF
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8装在石英舟中，在惰性气体氛围下煅烧使ZIF
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8碳化，去除ZIF
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8中的氢元素，即得到含锌氮掺杂多孔碳包覆的ZnO(ZnO@氮掺杂多...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴正明，胡淑婉，陆大班，张峥，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：