CN103094558A - 一种铁酸锌基纳米复合材料、制备方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种ZnFe2O4基纳米复合材料,所述纳米复合材料为ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中MO为金属氧化物。所述ZnFe2O4基纳米复合材料是由具有尖晶石结构的ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒团聚而成的二次粒子。所述金属氧化物为ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3和/或VO2。与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:本发明提供的基于ZnFe2O4的纳米复合材料用作锂离子电池负极材料具有高容量,高循环稳定性能,极大改善了纯相ZnFe2O4的电化学性能;颗粒尺寸大小均匀,分散性好,且其制备方法简单,生产流程较短,无苛刻条件,成本较低,易于工业化。

Description

一种铁酸锌基纳米复合材料、制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域,具体地,本发明涉及锂离子电池负极材料领域。 
背景技术
锂离子电池作为一种新型二次电池正式投入使用已经整整20年了,它具有电压高(4V)、能量密度高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无污染优点,现已被广泛应用于笔记本电脑、手机、数码相机以及电动车等可移动设备上,但其电极材料的局限性制约了锂离子电池的快速发展。 
目前商业化的锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极材料,石墨材料具有以下缺点:①理论比容量仅为372mAh/g,实际容量更低;②具有高度取向的层状结构,与有机电解液的相容性很差:③快速充放电过程中存在石墨层剥离现象,导致容量衰减;④其嵌锂电位非常接近锂析出电位,容易产生锂枝晶现象,造成安全隐患。因此,企图进一步提高石墨类负极材料的性能难度相当大。为了满足人们对高容量电池的需求,必须研制出新一代高容量高性能的负极材料。当前对高容量负极材料的研究主要集中在两大类:一类为Si和Sn的单质材料及其氧化物,或其复合材料,另一类为金属氧化物。铁酸锌(ZnFe2O4)作为一类过渡金属氧化物展现出高容量的特征,但是纯相ZnFe2O4负极材料也具有一些致命弱点,例如材料导电性较差;锂离子的反复脱嵌引起材料“体积膨胀”现象,导致电极结构遭到破坏,粉化,锂离子的扩散路径变长,从而影响锂离子电池的循环性能和倍率性能。 
目前国际上关于ZnFe2O4负极材料的报道主要局限于制备纯相ZnFe2O4纳米 粉体或者薄膜材料,而其复合材料也仅局限于制备ZnFe2O4/C的纳米纤维。如采用固相法和水热法制备尖晶石结构的纯相ZnFe2O4纳米颗粒(ZnFe2O4的固相法和水热法制备及其电化学性能研究,白莹、丁玲红、张伟风,物理学报,60,058201,2011);采用尿素燃烧法制备的纯相ZnFe2O4纳米颗粒(High capacityZnFe2O4anode material for lithium ion batteries,Yu Ding,Yifu Yang,Huixia Shao,Electrochimica Acta,53,2380–2385,2008);采用水热法制备多孔微球状的纯相ZnFe2O4纳米颗粒(Lithium storage in hollow spherical ZnFe2O4as anodematerials for lithium ion batteries,Xianwei Guo,Xia Lu,Xiangpeng Fang,Ya Mao,Zhaoxiang Wang,Liquan Chen,Xiaoxue Xu,Hong Yang,Yinong Liu,Electrochemistry Communications,12,847–850,2010);采用脉冲激光沉积法制备纯相ZnFe2O4薄膜材料(锂离子电池薄膜电极材料的制备及其电化学性质研究,储艳秋,复旦大学博士学位论文,2003);采用静电纺丝法制备ZnFe2O4/C的一维纳米纤维材料(锂离子电池负极材料ZnFe2O4C纳米纤维的制备方法,湘潭大学,肖启振,吴丽娟,CN 102154739A)。这些报道或专利制备的材料多为纯相ZnFe2O4,性能不够理想,难以实用,且制备工艺较为繁琐。 
因此,如何开发出一种基于ZnFe2O4的具有高容量,高循环稳定性能,且制备工艺简单的纳米复合材料,是本领域亟待解决的一个技术问题。 
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种ZnFe2O4基纳米复合材料。所述ZnFe2O4基纳米复合材料具有高容量,高循环稳定性能。 
所述ZnFe2O4基纳米复合材料为ZnFe2O4/MO,其中MO为金属氧化物,所述ZnFe2O4基纳米复合材料是由具有尖晶石结构的ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒团聚而成的二次粒子。所述纳米颗粒指粒径为0.1nm~1μm的颗粒。 
所述ZnFe2O4基纳米复合材料具有微米级尺寸,平均粒度为1~50μm;比表面积为1~20m2/g。 
所述ZnFe2O4/MO指ZnFe2O4和MO的复合材料。 
所述金属氧化物是所属领域已知材料或新材料,在金属氧化物中金属与氧的摩尔比不限于1:1,所述金属氧化物的例子可以为ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3、VO2中的1种或至少2种的组合,所述组合典型但非限制性的实例包括ZnO和Fe2O3的组合,CoO和NiO的组合,CuO、MnO和TiO2的组合,TiO2、CrO3和VO2的组合,Fe2O3、CoO、NiO和CuO的组合,CoO、NiO、CuO、MnO和TiO2的组合,ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO和MnO的组合,CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3和VO2的组合等。 
本发明所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料中ZnFe2O4和MO的比例可以由所属领域技术人员根据具体需要进行调整,在本发明中不再就此进行限定。 
本发明的目的之一还在于提供一种所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料的用途。所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料可用作锂离子电池负极材料。 
针对现有ZnFe2O4及其复合材料制备工艺的繁琐,本发明的目的之一还在于提供一种所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料制备方法,其中,MO为ZnO或Fe2O3。所述方法生产流程简单,无苛刻条件,易于工业化。 
所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中,MO为ZnO或Fe2O3,其制备方法包括:以锌盐和铁盐为原料,添加络合剂,经由溶胶-凝胶法制备得到。 
优选地,所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料的制备方法,其中,MO为ZnO或Fe2O3,包括以下步骤: 
(1)将铁盐、锌盐和络合剂在溶剂中混合,得到浆体,其中,所述nZn:nFe不为1:2; 
(2)将步骤(1)得到的浆体在40~200℃进行固化,使浆体变成干凝胶,然后冷却; 
(3)将步骤(2)得到的干凝胶在氧化气氛,以及350~850℃下煅烧,然后冷却,得到ZnFe2O4/MO纳米复合材料,所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料为由ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒均匀团聚而成的纳米复合材料,其中,MO为ZnO或Fe2O3。 
优选地,步骤(3)后进行: 
(4)将步骤(3)得到的ZnFe2O4/MO纳米复合材料粗料破碎,过筛。 
所述的铁锌混合溶液的浓度没有具体限定。 
在步骤(1)中,当nZn:nFe>1:2时,则最终获得ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料;当nZn:nFe<1:2时,则最终获得ZnFe2O4/Fe2O3纳米复合材料;所述n指物质的量。 
优选地,所述锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、碳酸锌、磷酸锌、草酸锌、柠檬酸锌或硫酸锌中的1种或至少2种的组合,所述组合典型但非限制性的实例包括硝酸锌和氯化锌的组合,醋酸锌和碳酸锌的组合,碳酸锌、磷酸锌和草酸锌的组合,磷酸锌、草酸锌和柠檬酸锌的组合,磷酸锌、草酸锌、柠檬酸锌和硫酸锌的组合,硝酸锌、氯化锌、醋酸锌和碳酸锌的组合,醋酸锌、碳酸锌、磷酸锌、草酸锌和柠檬酸锌的组合,硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、碳酸锌、磷酸锌和草酸锌的组合等,特别优选为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌或硫酸锌中的1种或至少2种的组合。 
优选地,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、碳酸铁、磷酸铁、草酸铁、柠檬酸铁或硫酸铁中的1种或至少2种的组合,所述组合典型但非限制性的实例包括硝酸铁和氯化铁的组合,醋酸铁和碳酸铁的组合,碳酸铁、磷酸铁和草 酸铁的组合,磷酸铁、草酸铁和柠檬酸铁的组合,磷酸铁、草酸铁、柠檬酸铁和硫酸铁的组合,硝酸铁、氯化铁、醋酸铁和碳酸铁的组合,醋酸铁、碳酸铁、磷酸铁、草酸铁和柠檬酸铁的组合,硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、碳酸铁、磷酸铁和草酸铁的组合等,特别优选为硝酸铁、氯化铁、柠檬酸铁或硫酸铁中的1种或至少2种的组合。 
优选地,所述络合剂为有机络合剂,特别优选为柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖中的1种或者至少2种的组合,所述组合典型但非限制性的实例包括柠檬酸和葡萄糖的组合,酚醛树脂和环氧树脂的组合,葡萄糖、酚醛树脂和环氧树脂的组合,柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂和环氧树脂的组合,葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂和蔗糖的组合,柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂和蔗糖的组合等。 
优选地,步骤(1)所述溶剂为水,特别优选为去离子水。 
优选地,步骤(1)所述混合为搅拌,特别优选为在恒温下搅拌。 
优选地,步骤(2)所述固化温度为45~170℃,特别优选为50~150℃。 
优选地,步骤(2)所述固化为恒温固化。 
优选地,步骤(2)所述冷却为自然冷却。 
优选地,步骤(2)所述冷却终点为室温。 
优选地,步骤(2)所述固化在干燥设备中进行;所述干燥设备型号没有具体限定,任何一种能使浆体进行干燥的设备均可用于本发明;优选地,所述干燥设备为电热鼓风干燥箱、热风循环烘箱、防爆烘箱或真空烘箱中的任意1种。 
优选地,步骤(3)所述煅烧为恒温煅烧。 
优选地,步骤(3)所述氧化气氛为氧气和/或空气气氛。 
优选地,步骤(3)所述煅烧温度为370~750℃,特别优选为400~700℃。 
优选地,步骤(3)所述煅烧在煅烧炉内进行;所述煅烧炉型号没有具体限定,任何一种能将干凝胶进行煅烧的设备均可用于本发明;优选地,所述煅烧炉选用箱式电阻炉、管式烧结炉或高温微波灰化炉中的任意1种。 
优选地,步骤(3)所述冷却为自然冷却。 
优选地,步骤(3)所述冷却终点为室温。 
优选地,步骤(4)所述破碎采用球磨机或粉碎机。 
采用所述方法制备的基于ZnFe2O4的纳米复合材料颗粒尺寸大小均匀,分散性好,纳米ZnFe2O4颗粒与纳米MO颗粒交替排列,用作锂离子电池负极材料具有高容量,高循环稳定性能。 
本发明的目的之一还在于提供一种所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料的制备方法,其中MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3或VO2中的1种或至少2种的组合。 
所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3或VO2中的1种或至少2种的组合,其制备方法包括:将纯相ZnFe2O4纳米粉体和MO纳米粉体与络合剂混合,经由固相煅烧法制备得到,其中MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3或VO2中的1种或至少2种的组合。 
所述纳米粉体指粒径为0.1nm~1μm的粉体。 
优选地,所述混合为物理机械混合。 
优选地,所述ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3或VO2中的1种或至少2种的组合,其制备方法包括以下步骤: 
(1)将纯相ZnFe2O4纳米粉体、MO纳米粉体和络合剂在溶剂中混合,干 燥,得到干粉,其中MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3或VO2中的1种或至少2种的组合; 
(2)将步骤(1)得到的干粉在氧化气氛、250~850℃下煅烧,冷却,得到ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒均匀团聚而成的纳米复合材料。 
优选地,步骤(2)后进行: 
(3)将步骤(2)得到的ZnFe2O4/MO纳米复合材料粗料破碎,过筛。 
优选地,步骤(1)所述溶剂为水。 
优选地,步骤(1)所述干燥温度为40℃以上,进一步优选为45~100℃,特别优选为50~100℃。 
优选地,步骤(1)所述干燥为搅拌干燥,特别优选在恒温下搅拌干燥;本发明对搅拌器的型号没有具体限定,任何一种能够将混合溶液进行均匀搅拌的搅拌器均可用于本发明;优选地,所述搅拌可采用恒温磁力搅拌器或悬臂式机械搅拌器中的任意1种。 
优选地,步骤(1)所述干燥为喷雾干燥;所述“喷雾干燥”方式指利用喷雾干燥机将混合溶液进行喷雾造粒直接得到干粉,此干粉为由络合剂连接的ZnFe2O4纳米颗粒和MO纳米颗粒组成的二次颗粒;所述喷雾干燥机可选自高速离心喷雾干燥机、压力喷雾干燥机、混流式喷雾干燥机中的任意1种。所述喷雾干燥为本领域公知的技术,本发明不做具体解释和限定。 
优选地,所述络合剂为有机络合剂,特别优选为柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖中的1种或者至少2种的组合,所述组合典型但非限制性的实例包括柠檬酸和葡萄糖的组合,酚醛树脂和环氧树脂的组合,葡萄糖、酚醛树脂和环氧树脂的组合,柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂和环氧树脂的组合,葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂和蔗糖的组合,柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧 树脂和蔗糖的组合等。 
优选地,步骤(2)所述氧化气氛为氧气和/或空气气氛。 
优选地,步骤(2)所述煅烧温度为270~750℃,特别优选为300~700℃。 
优选地,步骤(2)所述煅烧为恒温煅烧。 
优选地,步骤(2)所述煅烧在煅烧炉内进行;所述煅烧炉型号没有具体限定,任何一种能将干凝胶进行煅烧的设备均可用于本发明;优选地,所述煅烧炉选用箱式电阻炉、管式烧结炉或高温微波灰化炉中的任意1种。 
采用所述方法制备的基于ZnFe2O4的纳米复合材料颗粒尺寸大小均匀,分散性好,纳米ZnFe2O4颗粒与纳米MO颗粒交替排列,用作锂离子电池负极材料具有高容量,高循环稳定性能。 
本发明所述恒温是指温度波动不超过±2℃。 
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果: 
(1)本发明提供的基于ZnFe2O4的纳米复合材料ZnFe2O4/MO(MO为金属氧化物,例如ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3、VO2中的1种或至少2种的组合),用作锂离子电池负极材料具有高容量,高循环稳定性能,极大改善了纯相ZnFe2O4的电化学性能; 
(2)本发明提供的用作锂离子电池负极材料的ZnFe2O4/MO纳米复合材料,颗粒尺寸大小均匀,分散性好,且其制备方法简单,生产流程较短,无苛刻条件,成本较低,易于工业化。 
附图说明
图1是本发明实施例1制备的ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料SEM图片。 
图2是本发明实施例1制备的ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料XRD图谱。 
图3是本发明实施例1制备的ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料作负极材料的充 放电曲线。 
图4是本发明实施例1制备的ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料作负极材料的循环性能曲线。 
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。 
实施例1~4 
(1)将锌盐和铁盐溶于去离子水中至完全溶解,再将有机络合剂加入铁锌混合溶液中进行恒温搅拌得到均匀浆体。 
(2)将所述均匀浆体移入干燥设备内,在40~200℃范围内保持恒温固化,使浆体变成干凝胶,然后自然冷却至室温。 
(3)将所述冷却后的干凝胶移入煅烧炉内,在氧化气氛、350~850℃的条件下进行恒温煅烧,然后自然冷却至室温得到ZnFe2O4/MO(MO为ZnO或Fe2O3)纳米复合材料粗料。 
(4)将所述冷却后粗料移入球磨机或粉碎机进行颗粒打散,破碎处理,最后将粉体进行过筛得到锂离子电池负极材料,锂离子电池负极材料为由ZnFe2O4纳米颗粒与MO(MO为ZnO或Fe2O3)纳米颗粒均匀团聚而成的纳米复合材料。 
具体工艺条件见表1所示。 
对比例1~4 
对比例1~2制备方法如实施例1~4,具体工艺条件见表1所示。 
对比例3和对比例4是对其他纯相ZnFe2O4制备方法及其性能的呈现,对比例3为《ZnFe2O4的固相法和水热法制备及其电化学性能研究》(张伟风等,物理学报,2011,60:058201)中所述固相法和水热法制备得到的纯相ZnFe2O4粉体; 对比例4为《锂离子电池薄膜电极材料的制备及其电化学性质研究》(储艳秋,复旦大学博士学位论文,2003)中所述脉冲激光沉积法制备得到的纯相ZnFe2O4薄膜。 
表1 
Figure BDA00002607909400101
Figure BDA00002607909400111
实施例5~13 
(1)将络合剂加入自来水中配成有机溶液,再将纯相ZnFe2O4纳米粉体和MO纳米粉体按不同比例加入该溶液中,干燥,直到水分完全蒸发得到干粉。 
(2)将所述干粉移入煅烧炉内,在氧化气氛、250~850℃的条件下进行恒温煅烧,然后自然冷却至室温得到由ZnFe2O4纳米颗粒与MO(MO为Fe2O3、ZnO、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3、VO2中的1种或至少2种的组合)纳米颗粒均匀团聚而成纳米复合材料。 
具体工艺条件见表2和表3所示。 
表2 
Figure DEST_PATH_GDA00002907780800112
表3 
Figure BDA00002607909400122
对实施例1~13和对比例1~4制备的纳米复合材料进行如下的性能测定,测试结果见表4所示: 
(1)微观状态: 
用日本Hitachi-S4800型扫描电子显微镜测试ZnFe2O4/MO纳米复合材料的表面形貌。如图1所示,ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料是由ZnFe2O4纳米颗粒与ZnO纳米颗粒均匀团聚而成的二次粒子构成。所述“复合材料”定义为由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 
(2)粒度: 
本发明采用英国Malvern-Mastersizer 2000型激光粒度分析仪测试ZnFe2O4/MO纳米复合材料的平均粒度。 
(3)比表面积: 
本发明采用氮气吸附的BET法,美国康塔Nova 1000e比表面积/孔径分析仪测定ZnFe2O4/MO纳米复合材料的比表面积。 
(4)晶体分析: 
本发明采用荷兰帕纳科X’pert PRO X射线衍射分析仪对ZnFe2O4/MO纳米复合材料进行晶体分析。如图2所示,ZnFe2O4/ZnO纳米复合材料可明显探测出ZnFe2O4和ZnO独立的晶体衍射峰。 
(5)电化学性能测试: 
A、利用了本发明所述的ZnFe2O4/MO纳米复合材料制备锂离子电池,具体包括如下步骤: 
a.用本发明方法制备的ZnFe2O4/MO纳米复合材料作锂离子电池负极材料活性物质,碳黑Super P为导电剂,聚偏氟乙烯PVDF为粘结剂制得电极材料;三者按照质量的配比为活性物质:导电剂:粘结剂=8:1:1,向其中加入适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)采用调浆机调匀成糊状,然后采用涂布机涂料于铜箔上,涂布厚度为200μm,烘干后冲孔成直径为8.4mm的极片。 
b.以纯锂片为对电极,上述极片为工作电极,采用Celgard 2400型PE/PP/PE复合隔膜在德国布劳恩手套箱中组装成模具式(正极不锈钢垫片直径为8.4mm;负极铜垫片直径为11.4mm)模拟电池,H2O和O2偏压均低于1ppm。电解液采用1M LiPF6/(EC+DMC)的溶液,其中碳酸乙烯酯EC和二甲基碳酸酯DMC体积比为1:1。 
B、用武汉金诺Land CT 2001A充放电测试柜,在0.001~3V的电压范围内,以100mA/g(约0.1C)的电流密度进行模拟电池充放电性能测试。测试方法和数据计算如下: 
首次嵌锂比容量:以0.1C的电流密度首次放电至0.001V的电容量/负极活性物质的质量; 
首次脱锂比容量或首次可逆比容量:以0.1C的电流密度首次充电至3V的电容量/负极活性物质的质量; 
200周脱锂比容量或200周可逆比容量:充放电到第200周循环时以0.1C的电流密度充电至3V的电容量/负极活性物质的质量; 
Figure BDA00002607909400151
Figure BDA00002607909400152
表4 
Figure BDA00002607909400153
Figure BDA00002607909400161
结论: 
本发明所述方法制备的基于ZnFe2O4的纳米复合材料,主要是针对纯相ZnFe2O4的两大缺点:①纯相ZnFe2O4的导电性较差,在锂离子电池充放电过程中,电子的传输相对较慢,容易引起“极化”现象,导致电池难以进行大电流充放电,最终影响锂离子电池的倍率性能,所以使用这种材料的锂离子电池不能用作动力电池。②锂离子在纯相ZnFe2O4中反复脱嵌会引起材料“体积膨胀”现象,导致电极结构遭到破坏,粉化,从而增大锂离子的扩散路径和颗粒的接触电阻,最终影响锂离子电池的循环性能,所以使用这种材料的锂离子电池循环寿命很短。 
本发明制备的ZnFe2O4/MO(MO=ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3、VO2)纳米复合材料是在纯相ZnFe2O4基础上引入了第二相:金属氧化物MO。纳米金属氧化物MO在室温下具有比块材MO更高的导电性。在形态上,ZnFe2O4/MO纳米复合材料为纳米ZnFe2O4颗粒与纳米MO颗粒交替排列的团聚体,所以ZnFe2O4颗粒之间以纳米MO为“桥梁”连接,降低了接触电阻,增大了电导率,在一定程度上改善了纯相ZnFe2O4的导电性。另一方面,纳米MO颗粒的“多孔隙”特征以及作为ZnFe2O4颗粒间的“中间体”可以在 锂离子脱嵌时作为ZnFe2O4体积膨胀收缩的“缓冲空间”,从而在宏观上,材料的体积变化大大减弱,MO作为空间骨架结构增加了锂离子电池的循环稳定性能。如图4所示,由循环性能曲线可知,电池在循环的过程中,容量衰减非常慢,甚至在循环到200周时仍能保持容量在300mAh/g左右。 
对比例1中严格按锌原子与铁原子的物质的量之比(nZn:nFe)为1:2进行制备最终得到纯相ZnFe2O4材料;对比例2中煅烧气氛采用的是惰性气氛(氮气)最终得到ZnO与FeO的复合材料;对比例3中采用固相法和水热法制备得到的纯相ZnFe2O4粉体;对比例4中采用脉冲激光沉积法制备得到的纯相ZnFe2O4薄膜。所述对比例中几种材料均具有相同特点:较高的比容量,但循环性能极差,均不满足锂离子电池的实用要求。 
本发明所述方法制备的基于ZnFe2O4的纳米复合材料,除了弥补纯相ZnFe2O4的缺点外,还展现出超越常规负极材料(石墨材料)的优点:①可逆容量较高,约800mAh/g,而石墨材料的可逆容量约360mAh/g。较高的可逆容量能满足容量型锂离子电池的需求,可用于较大能耗型的设备中。②电位平台较高,如图3所示,嵌锂平台约0.8V,而石墨材料的嵌锂平台约0.1V。较高的电位平台避免了“析锂”现象的发生,析锂会在极片表面产生锂枝晶,容易刺穿隔膜,导致电池短路,从而引起电池着火或爆炸,存在安全隐患。 
由此可见,本发明的锂离子电池用纳米复合负极材料ZnFe2O4/MO相比单一的ZnFe2O4和常规负极材料展现出比容量高,循环寿命长,稳定性能好,安全性好的特点,所以本发明的复合材料更适用于储能电池和动力电池用的负极材料。 
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明 必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。 

Claims (10)

1.一种ZnFe2O4基纳米复合材料,其特征在于,所述纳米复合材料为ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中MO为金属氧化物。
2.如权利要求1所述的ZnFe2O4基纳米复合材料,其特征在于,所述ZnFe2O4基纳米复合材料是由具有尖晶石结构的ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒团聚而成的二次粒子;
优选地,所述金属氧化物为ZnO、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、MnO、TiO2、CrO3、VO2中的1种或至少2种的组合。
3.一种如权利要求1或2所述的ZnFe2O4基纳米复合材料的用途,其特征在于,所述ZnFe2O4基纳米复合材料可用作锂离子电池负极材料。
4.如权利要求1或2所述的ZnFe2O4基纳米复合材料,其制备方法包括:以锌盐和铁盐为原料,添加络合剂,经由溶胶-凝胶法制备得到,其中,MO为ZnO或Fe2O3
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将铁盐、锌盐和络合剂在溶剂中混合,得到浆体,其中,所述nZn:nFe不为1:2;
(2)将步骤(1)得到的浆体在40~200℃进行固化,使浆体变成干凝胶,然后冷却;
(3)将步骤(2)得到的干凝胶在氧化气氛,以及350~850℃下煅烧,然后冷却,得到ZnFe2O4/MO纳米复合材料,其中,MO为ZnO或Fe2O3
6.如权利要求4或5所述的方法,其特征在于,所述锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、碳酸锌、磷酸锌、草酸锌、柠檬酸锌或硫酸锌中的1种或至少2种的组合,特别优选为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌或硫酸锌中的1种或至少2种的组合;
优选地,所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、碳酸铁、磷酸铁、草酸铁、柠檬酸铁或硫酸铁中的1种或至少2种的组合,特别优选为硝酸铁、氯化铁、柠檬酸铁或硫酸铁中的1种或至少2种的组合;
优选地,所述络合剂为有机络合剂,特别优选为柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖中的1种或者至少2种的组合。
7.如权利要求5或6所述的方法,其特征在于,步骤(3)后进行:
(4)将步骤(3)得到的ZnFe2O4/MO纳米复合材料粗料破碎,过筛;
优选地,步骤(1)所述溶剂为水,特别优选为去离子水;
优选地,步骤(1)所述混合为搅拌,特别优选为在恒温下搅拌;
优选地,步骤(2)所述固化温度为45~170℃,特别优选为50~150℃;
优选地,步骤(2)所述固化为恒温固化;
优选地,步骤(3)所述煅烧为恒温煅烧;
优选地,步骤(3)所述氧化气氛为氧气和/或空气气氛;
优选地,步骤(3)所述煅烧温度为370~750℃,特别优选为400~700℃。
8.如权利要求1或2所述的ZnFe2O4基纳米复合材料,其制备方法包括:将纯相ZnFe2O4纳米粉体和MO纳米粉体与络合剂混合,经由固相煅烧法制备得到,其中MO为金属氧化物。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将纯相ZnFe2O4纳米粉体、MO纳米粉体和络合剂在溶剂中混合,干燥,得到干粉,其中MO为金属氧化物;
(2)将步骤(1)得到的干粉在氧化气氛、250~850℃下煅烧,冷却,得到ZnFe2O4纳米颗粒与MO纳米颗粒均匀团聚而成的纳米复合材料。
10.如权利要求8或9所述的方法,其特征在于,步骤(2)后进行:
(3)将步骤(2)得到的ZnFe2O4/MO纳米复合材料粗料破碎,过筛;
优选地,步骤(1)所述溶剂为水;
优选地,步骤(1)所述干燥温度为40℃以上,进一步优选为45~100℃,特别优选为50~100℃;
优选地,所述络合剂为有机络合剂,特别优选为柠檬酸、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂或蔗糖中的1种或者至少2种的组合;
优选地,步骤(2)所述氧化气氛为氧气和/或空气气氛;
优选地,步骤(2)所述煅烧温度为270~750℃,特别优选为300~700℃;
优选地,步骤(2)所述煅烧为恒温煅烧。
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