專利名稱：一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高分子材料和化學電源技術領域，具體涉及一種鋰離子電池納米負極材料及制備方法，特別是一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料及制備方法。
背景技術：
近年來，鋰離子蓄電池由于其具有電壓高，體積比容量、質(zhì)量比容量高，無記憶效應，自放電小等優(yōu)異的電化學性能和壽命長、安全無公害等特點，發(fā)展很快，在商業(yè)上獲得了巨大的成功，被廣泛應用在手機、筆記本電腦、攝像機、數(shù)碼相機、Mp3、PDA等眾多民用及軍事領域上。現(xiàn)在商品化的鋰離子蓄電池負極基本上都是采用碳材料，如石墨，碳纖維，焦炭，以及各種有機前驅(qū)體在惰性氣氛下制備的熱解碳，所有這些碳都具有一定程度的可逆儲鋰能力。但在實際應用方面還存在一些缺點:石墨的理論比容量為372mAh/g，只有金屬鋰的十分之一；碳材料嵌鋰電位低，存在析出鋰枝晶的安全隱患；由于石墨的表面性質(zhì)很不均勻，在首次放電時在材料表面難以形成均勻、致密的固體電解質(zhì)膜(SEI膜)，造成首次充放電效率低，循環(huán)性能不理想。隨著人們對電池性能要求的日益提高，迫切需要尋找新的負極材料來代替碳材料。納米技術的發(fā)展為鋰離子電池材料的設計和發(fā)展提供了新的思路，將納米材料用作鋰離子電池的電極材料已經(jīng)成為當前一個重要的研究課題。鋰離子電池納米材料與非納米材料相比，具有許多獨特的物理和化學性質(zhì)，如比表面積大、鋰離子脫嵌的深度小、離子擴散路徑短、大電流充放電時電極極化程度小、可逆容量高、循環(huán)壽命長等。鋰離子電池可以顯著提高電池的比容量和倍率充放電性能，是新一代鋰離子電池發(fā)展的重要方向?，F(xiàn)有鋰離子電池氧化鋅納米負極材料及制備方法，如發(fā)表在ElectrochimicaActa的“鋰離子電池用氧化鋅納米棒負極材料”的文章在于:利用水熱法反應，在銅基體上生長氧化鋅納米棒，制成鋰離子電池負極材料。但是，該方法制備的氧化鋅納米棒負極材料首次循環(huán)效率和循環(huán)穩(wěn)定性比較差；另外，該方法制備的氧化鋅納米棒導電性差，導致該負極材料的高功率特性和快速充放電能力差等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述氧化鋅納米棒作為鋰離子電池負極材料時首次循環(huán)效率低、循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電能力差等缺點，提供一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料及制備方法；要求其提高首次循環(huán)效率和快速充放電能力，同時該方法加工成本低、工藝簡單易控制、周期短、高效節(jié)能，便于進一步擴大化生產(chǎn)。本發(fā)明采用的的技術方案為，首先利用靜電紡絲技術制備PAN/PVP/ (CH3COO) 2Zn復合納米纖維膜，然后將所制的PAN/PVP/(CH3COO)2Zn復合納米纖維膜在高溫管式爐中進行煅燒處理，得到氧化鋅納米纖維負極材料。具體步驟如下:(I)稱取一定量的聚丙烯腈(PAN)溶解于二甲基甲酰胺(DMF)配制質(zhì)量分數(shù)為8 12%的DMF溶液，然后將聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)按PAN/PVP = 7:3加入上述溶液中，最后加入乙酸鋅((CH3COO) 2Zn),所配溶液用磁力攪拌器攪拌20 60min至完全溶脹,然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速，在室溫下攪拌12 24小時。(2)將上述溶液在靜電紡絲裝置中紡出均勻的納米纖維膜，紡絲條件:電壓為10 20KV，收集距離為8 20cm，紡絲液體流速為0.3 2.0ml/h。(3)將紡出的納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，在空氣氛中從室溫加熱到600 800°C，升溫速率為0.5 5°C /min。由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果:1.本發(fā)明材料提高了負極材料的高功率特性和快速充放電能力，而且提高了負極材料的首次循環(huán)效率和循環(huán)穩(wěn)定性。2.本發(fā)明制備工藝簡單易控制，生產(chǎn)成本低，便于進一步擴大化生產(chǎn)。3.本發(fā)明材料作為鋰離子電池負極電極材料，具有較高的初始放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。


圖1氧化鋅納米纖維負極材料的掃描電子顯微鏡圖片。圖2氧化鋅納米纖維負極材料的首周充放電曲線。所得樣品經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀察(見圖1)，發(fā)現(xiàn)樣品是由粗細不均勻的納米纖維組成，纖維直徑大小為180 300nm。所得樣品經(jīng)過充放電性能測試(見圖2)，發(fā)現(xiàn)初始放電容量高達1208mAh/g，說明該多孔材料作為鋰離子電池負極材料具有較好的應用前景。
具體實施例方式實施例1稱取PAN 1.4g、PVP 0.6g (PAN/PVP = 7: 3)、(CH3COO) 2Zn 1.0g，然后加入到 23mlDMF溶液中，用玻璃棒攪拌約20min至完全均勻溶脹。再將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速，在室溫下攪拌24小時。所配制的上述紡絲液置入自制紡絲設備，在紡絲電壓10kV，收集距離8cm，溶液擠出速度0.3ml/h的工藝條件下，紡絲10小時，隨后在真空干燥箱中干燥2小時，得到PAN/PVP/ (CH3COO)2Zn復合納米纖維膜。將上述PAN/PVP/(CH3COO)2Zn復合納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，在空氣氛中從室溫加熱到600°C，升溫速率0.50C /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。實施例2稱取PAN 1.4g、PVP 0.6g (PAN/PVP = 7: 3)、(CH3COO) 2Zn 1.0g，然后加入到 23mlDMF溶液中，用玻璃棒攪拌約20min至完全均勻溶脹。再將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速，在室溫下攪拌24小時。所配制的上述紡絲液置入自制紡絲設備，在紡絲電壓10kV，收集距離12cm，溶液擠出速度0.5ml/h的工藝條件下，紡絲10小時，隨后在真空干燥箱中干燥2小時，得到PAN/PVP/ (CH3COO)2Zn復合納米纖維膜。將上述PAN/PVP/(CH3COO)2Zn復合納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，在空氣氛中從室溫加熱到600°C，升溫速率1.5°C /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。實施例3
稱取PAN 1.4g、PVP 0.6g (PAN/PVP = 7: 3)、(CH3COO) 2Zn 1.0g，然后加入到 23mlDMF溶液中，用玻璃棒攪拌約20min至完全均勻溶脹。再將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速，在室溫下攪拌24小時。所配制的上述紡絲液置入自制紡絲設備，在紡絲電壓12kV，收集距離15cm，溶液擠出速度1.0ml/h的工藝條件下，紡絲10小時，隨后在真空干燥箱中干燥2小時，得到PAN/PVP/ (CH3COO)2Zn復合納米纖維膜。將上述PAN/PVP/(CH3COO)2Zn復合納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，在空氣氛中從室溫加熱到700°C，升溫速率0.50C /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。實施例4稱取PAN 1.4g、PVP 0.6g (PAN/PVP = 7: 3)、(CH3COO) 2Zn 1.0g，然后加入到 23mlDMF溶液中，用玻璃棒攪拌約20min至完全均勻溶脹。再將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速，在室溫下攪拌24小時。所配制的上述紡絲液置入自制紡絲設備，在紡絲電壓15kV，收集距離15cm，溶液擠出速度1.0ml/h的工藝條件下，紡絲10小時，隨后在真空干燥箱中干燥2小時，得到PAN/PVP/ (CH3COO)2Zn復合納米纖維膜。將上述PAN/PVP/(CH3COO)2Zn復合納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，在空氣氛中從室溫加熱到700°C，升溫速率1.(TC /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。
權利要求
1.一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料的制備方法，其特征在于，靜電紡絲法及高溫煅燒，包括以下步驟: 1)稱取一定量的聚丙烯腈(PAN)溶解于二甲基甲酰胺(DMF)配制質(zhì)量分數(shù)為8 12%的DMF溶液，然后將聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)按PAN/PVP = 7: 3加入上述溶液中，最后加入乙酸鋅((CH3COO)2Zn)，所配溶液用磁力攪拌器攪拌20 60min至完全溶脹，然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到50ml錐形瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子,調(diào)節(jié)適當轉(zhuǎn)速,在室溫下攪拌12 24小時。
2)將步驟I)配制的紡絲溶液在靜電紡絲裝置中紡出均勻的納米纖維膜，紡絲條件:電壓為10 20KV，收集距離為8 20cm，紡絲液體流速為0.3 2.0ml/h。
3)將步驟2)紡出的納米纖維膜轉(zhuǎn)入高溫管式爐中，從室溫加熱到600 800°C，升溫速率為0.5 5°C /min。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料的制備方法，其特征在于:靜電紡絲電壓、收集距離、紡絲流速和煅燒溫度。
全文摘要
一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料及制備方法，屬于高分子材料和化學電源技術領域。本發(fā)明材料是一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維材料，具有較大的比表面積。本發(fā)明方法首先利用靜電紡絲技術制備出復合納米纖維，然后經(jīng)過高溫煅燒得到氧化鋅納米纖維。本發(fā)明制備工藝簡單易控制，生產(chǎn)成本低。本發(fā)明材料作為鋰離子電池負極電極材料，克服了其他方法制備的氧化鋅納米棒作為鋰離子電池負極材料時首次循環(huán)效率低、循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電能力差等缺點，提供了一種鋰離子電池用氧化鋅納米纖維負極材料及制備方法，該材料具有較高的初始放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性，提高了負極材料的高功率特性和快速充放電能力，比較適用于電動車用鋰離子動力電池的發(fā)展要求。
文檔編號H01M4/60GK103165893SQ20111041950
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者喬輝, 黃鋒林, 魏取福, 蔡以兵, 付家鵬, 陳晨, 崔靜 申請人:江南大學