本發(fā)明專利技術(shù)涉及具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料生物模板制備方法，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域，該方法以天然生物結(jié)構(gòu)為模板，通過浸漬、干燥、煅燒工藝，制備得到三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利技術(shù)可以獲得較高的容量并且循環(huán)性能較好，在0.05-2V的電壓區(qū)間和50mA·g-1的充放電電流下，經(jīng)過100個充放電循環(huán)，仍可以獲得572mAh·g-1的可逆容量。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)涉及，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域，該方法以天然生物結(jié)構(gòu)為模板，通過浸漬、干燥、煅燒工藝，制備得到三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)可以獲得較高的容量并且循環(huán)性能較好，在0.05-2V的電壓區(qū)間和50mA·g-1的充放電電流下，經(jīng)過100個充放電循環(huán)，仍可以獲得572mAh·g-1的可逆容量。【專利說明】
本專利技術(shù)屬于無機(jī)納米材料相關(guān)
，尤其是涉及一種。
技術(shù)介紹
鋰離子電池由于其高的能量密度和功率密度、低的自放電率、循環(huán)性能好、以及安全、可靠，成為各種電子產(chǎn)品的首選電源。隨著各種電子產(chǎn)品高功率和小型化的發(fā)展，對鋰離子電池的容量就提出了越來越高的要求。而高比容量的負(fù)極材料的研發(fā)就成為了提高鋰離子電池容量的關(guān)鍵。 石墨材料具有電極電位低、循環(huán)穩(wěn)定性好以及廉價易得等優(yōu)點(diǎn)，而成為目前唯一商用的鋰離子電池負(fù)極材料。但是受限于其372mAh g—1的理論容量，其容量難以滿足便攜式電子產(chǎn)品日益增長的容量需求。而各種金屬氧化物如SnO2材料由于其理論容量可達(dá)790mAhg_\是石墨材料的兩倍多，并且具有電極電位低、來源廣泛、環(huán)境友好以及價格低廉的優(yōu)點(diǎn)而成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料的熱門候選。但是由于SnO2在作為鋰離子電池負(fù)極材料時，其放電-充電反應(yīng)所對應(yīng)的合金化-去合金化過程伴隨著體系體積的劇烈膨脹和收縮，體系在嵌鋰前后的體積的膨脹可以達(dá)到300%。而隨著實驗的進(jìn)行，劇烈的體積變化造成材料結(jié)構(gòu)的崩塌，從而其容量急劇衰減。 為了應(yīng)對這一問題，廣大科技工作者進(jìn)行了包括納米結(jié)構(gòu)設(shè)計等各種各樣的嘗試。例如:Ye等人利用S12硬模板法制備了 SnO2納米管狀結(jié)構(gòu)，Wang等人制備了管狀的SnO2和碳的復(fù)合結(jié)構(gòu),Luo等人制備了碳包覆SnO2空心球結(jié)構(gòu)的納米材料,結(jié)果表明納米結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在一定程度上改善SnO2類負(fù)極材料的電化學(xué)性能。而在眾多納米結(jié)構(gòu)中，光子晶體結(jié)構(gòu)由于其不但能夠為鋰離子的遷移提供等效的擴(kuò)散路徑，并且其陣列納米結(jié)構(gòu)可以為充放電過程中的體積膨脹提供緩沖，而引起了科技工作者的興趣。例如:0zin等人利用硬模板法制備了具有周期性反蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)的硅材料，結(jié)果表明其容量在經(jīng)過154個循環(huán)后仍能保持91% ;而類似的Stein等人制備了具有同樣反蛋白石結(jié)構(gòu)的多孔碳塊體結(jié)構(gòu)，該材料在作為鋰離子電池負(fù)極材料時也表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。但是，上述方法進(jìn)行光子晶體結(jié)構(gòu)制備的方法結(jié)構(gòu)單一并且工藝復(fù)雜，限制了其大規(guī)模推廣。 申請?zhí)枮?01210244121.1的中國專利公開了基于蝴蝶翅膀單個鱗片生物模板制備磁性光子晶體的方法，對整個蝴蝶生物模板進(jìn)行表面預(yù)處理；配制前軀體金屬溶膠凝膠溶液；將處理好的生物模板放入配置好的前軀體溶液中浸潰處理；浸潰結(jié)束后，取出樣品，用蒸餾水沖洗，干燥；在顯微鏡的幫助下，挑取浸潰后的單個鱗片，烘箱干燥；焙燒去掉單個鱗片的生物模板，就得到保持光子晶體結(jié)構(gòu)的單個蝴蝶鱗片的三氧化二鐵材料；再經(jīng)過進(jìn)一步的在氫氬混合氣體中燒結(jié)還原，得到保持光子晶體結(jié)構(gòu)的單個蝴蝶鱗片磁性四氧化三鐵材料。該專利所制備得到的是磁性光子晶體，并且存在兩個極大不足。一、其制備過程經(jīng)過二次煅燒，工藝不易控制，并且所制備樣品形貌難以精確復(fù)制；二、其所制備的光子晶體材料為蝶翅單鱗片，尺寸極小(為30 μ m)，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。而本申請在制備方法上為一次煅燒，并且可以較好的保持生物模板的形貌；所制備的光子晶體為宏觀材料，能夠滿足所應(yīng)用領(lǐng)域的需求；最重要的是本申請拓展了生物模板光子晶體結(jié)構(gòu)在鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種循環(huán)性能更好的。 本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn): ，以天然生物結(jié)構(gòu)為模板，通過浸潰、干燥、煅燒工藝，制備得到三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料采用以下步驟: (I)選用具有光子晶體結(jié)構(gòu)的生物模板，對其進(jìn)行預(yù)處理； (2)配制濃度為0.lmol/L?lmol/L的前軀體溶膠凝膠溶液； (3)將處理好的生物模板放入配制好的前軀體溶膠凝膠溶液浸潰處理； (4)用無水乙醇及去離子水沖洗前步處理的樣品，并在干燥后進(jìn)行煅燒，得到具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料。 所述的生物模板為蝶翅、甲蟲殼或鳥類羽毛。 利用稀鹽酸對生物模板進(jìn)行預(yù)處理。 所述的前軀體溶膠凝膠溶液的溶質(zhì)為錫、鈷、鐵或鎳的氯化物或硝酸鹽，溶劑為水、乙醇或其混合物。 所述的前軀體溶膠凝膠溶液的溶質(zhì)優(yōu)選Sn (NO3) 3或Ni (NO3) 2。 處理好的生物模板在前軀體溶膠凝膠溶液中浸潰3_12h。 煅燒溫度為450°C -750°C，保溫時間為l_5h。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)克服了傳統(tǒng)模板法和光刻法無法制備復(fù)雜三維光子晶體結(jié)構(gòu)的不足，利用簡便易行的方法制備得到具有復(fù)雜三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料。由于三維光子晶體結(jié)構(gòu)能夠極大地釋放電極材料在充放電反應(yīng)中劇烈的體積變化所引起的應(yīng)力集中，延緩了其結(jié)構(gòu)崩潰，并且由于其周期性結(jié)構(gòu)能夠使電極反應(yīng)中的電子擴(kuò)散獲得等效的擴(kuò)散距離，避免“短板”效應(yīng)的產(chǎn)生，使得本申請相比現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)極材料，其性能更優(yōu)異，容量更高，循環(huán)性能更好，在0.05-2V的電壓區(qū)間和50mA.g—1的充放電電流下，經(jīng)過100個充放電循環(huán)，仍可以獲得572mAh.g—1的可逆容量。 【專利附圖】【附圖說明】 圖1是生物模板法制備的具有三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料的掃描電鏡圖； 圖2是物模板法制備的具有三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料的在50mA.g—1充放電電流和0.05-2V電壓區(qū)間的充放電循環(huán)曲線。 【具體實施方式】 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。 實施例1 第一步:選用具有三維光子晶體結(jié)構(gòu)的蝶翅模板，用稀鹽酸對其進(jìn)行預(yù)處理，以洗去表面雜質(zhì)； 第二步:制備濃度為0.2mol/L的前軀體Sn (NO3) 3溶膠凝膠溶液； 第三步:將處理好的蝶翅模板放入準(zhǔn)備好的前軀體溶液中浸潰6h處理； 第四步:用無水乙醇及去離子水沖洗前步處理的樣品，并在干燥后在500°C保溫2h進(jìn)行煅燒，得到具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料。 實施例2 第一步:選用具有三維光子晶體結(jié)構(gòu)的蝶翅模板，用稀鹽酸對其進(jìn)行預(yù)處理，以洗去表面雜質(zhì)； 第二步:制備濃度為0.8mol/L的前軀體Sn (NO3) 3溶膠凝膠溶液； 第三步:將處理好的蝶翅模板放入準(zhǔn)備好的前軀體溶液中浸潰12h處理； 第四步:用無水乙醇及去離子水沖洗前步處理的樣品，并在干燥后在800°C保溫2h進(jìn)行煅燒，得到具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料。 實施例3 第一步:選用具有三維光子晶體結(jié)構(gòu)的甲殼蟲甲殼模板，用稀鹽酸對其進(jìn)行預(yù)處理，以洗去表面雜質(zhì)； 第二步:制備濃度為lmol/L的前軀體Ni (NO3) 2溶膠凝膠溶液； 第三步:將處理好的蝶翅模板放入準(zhǔn)備好的前軀體溶液中浸潰1h處理； 第四步:用無水乙醇及去離子水沖洗前步處理的樣品，并在干燥后在600°C保溫2h進(jìn)行煅燒，得到具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料。 實施例4 第一步:選用具有三維光子晶本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料生物模板制備方法，其特征在于，該方法以天然生物結(jié)構(gòu)為模板，通過浸漬、干燥、煅燒工藝，制備得到三維光子晶體結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，采用以下步驟：(1)選用具有光子晶體結(jié)構(gòu)的生物模板，對其進(jìn)行預(yù)處理；(2)配制濃度為0.1mol/L～1mol/L的前軀體溶膠凝膠溶液；(3)將處理好的生物模板放入配制好的前軀體溶膠凝膠溶液浸漬處理；(4)用無水乙醇及去離子水沖洗前步處理的樣品，并在干燥后進(jìn)行煅燒，得到具有光子晶體結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱申敏，李堯，張荻，孫增輝，路濤，
申請(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31
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