本發明專利技術公開了一種花狀多級結構氧化鋅支撐骨架及其制備方法和應用，所述支撐骨架是一種原位生長在導電襯底材料上的多級結構氧化鋅材料，所述多級結構氧化鋅材料的形狀是由樹枝狀氧化鋅納米線陣列構成的花狀多級結構，所述的樹枝狀氧化鋅納米線陣列是具有wurtzite晶相結構、沿[001]晶向生長、生長方向各異的單晶氧化鋅納米線陣列材料。所述支撐骨架可用于制備一種復合硅基鋰電池負極材料，其由所述支撐骨架和依次包覆在支撐骨架上的金屬鎳層和非晶硅層構成。本發明專利技術的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架具有較大的比表面積并且在倍率充放電工作條件下具有良好結構穩定性，其制得的復合硅基鋰電池負極材料具有良好的倍率充放電性能。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種花狀多級結構氧化鋅支撐骨架及其制備方法，以及它作為支撐骨架在復合硅基鋰電池負極材料制備方面的應用。
技術介紹
娃材料具有目如已知裡電池負極材料中最聞的理論儲裡容量(4200mAh/g)，近20年來得到了深入的研究。然而硅材料的本征電荷輸運性能較低，同時硅材料在嵌脫鋰過程中由于體積膨脹效應產生的內應力，會導致硅材料在倍率充放電工作條件下產生顆?；?、團聚現象而失去有效的導電接觸，因此普通的硅基鋰電池負極材料在倍率充放電工作條件下性能迅速下降(J. Power Sources, 2007, 163，1003; J. Mater. Chem. , 2010, 20, 4009; J.Mater. Chem. , 2011, 21, 9825)。提高硅基鋰電池負極材料的倍率充放電性能可以通過制備基于支撐骨架的復合·硅基鋰電池負極材料來實現(Nano Lett.，2009，9，3370)。支撐骨架能夠為硅材料提供沿徑向體積膨脹的空間，緩解體積膨脹效應產生的內應力，提高硅基鋰電池負極材料的結構穩定性，并且提供有效的導電接觸，提高硅材料的電荷輸運性能?，F有的復合硅基鋰電池負極材料的支撐骨架制備方法主要基于氣相生長工藝過程，需要用到高溫、高真空等反應條件和復雜昂貴的儀器設備(NanoLett. , 2010, 10, 860 ; Electrochem. Commun. , 2011, 13, 429; ACS Nano, 2011, 5, 8346 ; Adv.Mater.，2012，24，533)。有文獻報道基于液相生長工藝過程的支撐骨架制備方法，但是需要用到陽極氧化鋁等額外的納米材料輔助制備模版以及相應的復雜的前、后處理工藝(Chem.Commun.，2011，47，12098)。也有文獻報道使用一步生長工藝實現的病毒納米陣列結構作為支撐骨架(ACS Nano, 2010, 4，5366)，但是病毒生長周期較長。同時，現有的支撐骨架主要為一維納米陣列結構材料，生長密集，不利于硅材料均勻沉積、包覆，也不利于復合硅基鋰電池負極材料與電解液的充分接觸。因此，獲得一種具有較大比表面積和空隙，并且制備工藝簡便，反應條件溫和，可以一步實現大面積快速、均勻生長的支撐骨架材料，是實現復合硅基鋰電池負極材料大面積制備和實際應用的關鍵和重要途徑。迄今為止，還未見到能夠滿足所述制備要求和形貌的支撐骨架的報道。
技術實現思路
本專利技術的第一個目的在于提供一種具有較大的比表面積并且在倍率充放電工作條件下具有良好結構穩定性的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架。本專利技術的第二個目的在于提供一種所述花狀多級結構氧化鋅支撐骨架的制備方法，所述制備方法工藝簡便，反應條件溫和，可以一步實現在導電襯底上的大面積快速、均勻生長。本專利技術的第三個目的在于提供一種基于花狀多級結構氧化鋅支撐骨架的復合硅基鋰電池負極材料，該材料具有良好的倍率充放電性能。下面對本專利技術的技術方案做具體說明。本專利技術提供了一種花狀多級結構氧化鋅支撐骨架，所述花狀多級結構氧化鋅支撐骨架是一種原位生長在導電襯底上的多級結構氧化鋅材料，所述多級結構氧化鋅材料的形狀是由樹枝狀氧化鋅納米線陣列構成的花狀多級結構，所述的樹枝狀氧化鋅納米線陣列是具有mirtzite晶相結構、沿晶向生長、生長方向各異的單晶氧化鋅納米線陣列。進一步，本專利技術所述的導電襯底為銅箔。本專利技術提供了一種所述的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架的制備方法，所述制備方法包括以下步驟I)導電襯底進行清洗處理； 2)將經過清洗處理的導電襯底作為工作電極，金屬鉬片電極和飽和甘汞電極分別作為對電極和參比電極，將工作電極、對電極和參比電極共同置于電沉積溶液中，持續通入氧氣，攪拌，維持電沉積溶液溫度為75 90 V，在工作電極和參比電極之間施加恒定沉積電位進行電沉積，電沉積完畢后取出導電襯底水洗、干燥，得到生長在導電襯底上的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架；所述電沉積溶液由氯化鉀、醋酸鋅和去離子水組成，其中氯化鉀的濃度為O. 05 O. 2mol/L，醋酸鋅的濃度為O. 04 O. 06mmol/L。所述步驟I)中，所述的導電襯底的清洗處理具體可按如下方法進行將所述導電襯底依次浸入丙酮、乙醇、去離子水中，超聲清洗一定時間(例如10分鐘)，取出，用去離子水沖洗后烘干備用。所述的導電襯底優選銅箔。所述步驟2)中，所述電沉積溶液中，優選氯化鉀的濃度為O. lmol/L，優選醋酸鋅的濃度為O. 05mmol/Lo本專利技術步驟2)中，本領域技術人員可以根據實際需要設置合適的沉積電位和沉積時間。本專利技術推薦恒定沉積電位為O. 90 I. 0V,更優選為O. 95V ；電沉積時間推薦為2(Γ40分鐘，更優選為30分鐘。本專利技術步驟2)中，通入的氧氣流量為riOL/h。本專利技術還提供了一種基于所述的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架的復合硅基鋰電池負極材料，所述復合硅基鋰電池負極材料由花狀多級結構氧化鋅支撐骨架和依次包覆在花狀多級結構氧化鋅支撐骨架上的金屬鎳層和非晶硅層構成，即為三層結構，依次為花狀多級結構氧化鋅支撐骨架、金屬鎳層和非晶硅層。所述的金屬鎳層起到增強電荷輸運性能的作用，所述的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架在倍率充放電工作條件下具有良好的結構穩定性，并且可以緩解所述的非晶硅層在嵌脫鋰過程中由于體積膨脹效應產生的內應力，緩解非晶硅層自身顆?；?、團聚現象，維持非晶硅層的有效的導電接觸。本專利技術中，所述復合硅基鋰電池負極材料是以生長有花狀多級結構氧化鋅支撐骨架的導電襯底為襯底，采用磁控濺射方法依次沉積金屬鎳層、非晶硅層而制得。具體的，所述的金屬鎳層的沉積可采用直流濺射方法進行，沉積金屬鎳層采用如下條件直流電源輸出功率2(T35W，工作氣體氣壓O. 8^1. OPa，鎳材料沉積速率為Γ Οηπι/min，沉積時間為2 10分鐘。優選的，設置直流電源輸出功率28W，工作氣體氣壓O. 9Pa，鎳材料沉積速率為7. 5nm/min，沉積時間優選為4分鐘。工作氣體為氬氣。待金屬鎳層沉積結束后，繼續采用射頻電流濺射方法進行非晶硅層的沉積，沉積非晶硅層采用如下條件待金屬鎳層沉積結束后，設置射頻電源輸出功率4(T80W，工作氣體氣壓O. 8 I. 2Pa，非晶硅材料沉積速率為4 10nm/min，沉積時間為20 40分鐘。優選的，控制射頻電源輸出功率60W，工作氣體氣壓IPa，非晶硅材料沉積速率為6. 5nm/min，沉積時間優選為30分鐘。所述的工作氣體為IS氣。與現有的復合硅基鋰電池負極材料的支撐骨架相比，本專利技術具有以下突出的優占-^ \\\ · I.花狀多級結構氧化鋅支撐骨架采用基于水溶液環境的電沉積方法制備，反應條件溫和，制備工藝簡便，不需要高溫、高真空等反應條件和復雜昂貴的儀器設備。2.花狀多級結構氧化鋅支撐骨架可以一步實現在導電襯底上的電沉積生長，不需要額外的納米材料輔助制備模版以及相應的復雜的前、后處理工藝。3.花狀多級結構氧化鋅支撐骨架可以實現在導電襯底上的快速、均勻生長，所使用的導電襯底尺寸大小不受到限制。4.采用電沉積方法原位生長在導電襯底上的花狀多級結構氧化鋅支撐骨架與導電襯底結合力強，具有良好的電荷輸運性能，沉積金屬鎳層以后電荷輸運性能進一步增強。5.花狀多級結構氧化鋅本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種花狀多級結構氧化鋅支撐骨架，其特征在于：所述花狀多級結構氧化鋅支撐骨架是一種原位生長在導電襯底上的多級結構氧化鋅材料，所述多級結構氧化鋅材料的形狀是由樹枝狀氧化鋅納米線陣列構成的花狀多級結構，所述的樹枝狀氧化鋅納米線陣列是具有wurtzite晶相結構、沿[001]晶向生長、生長方向各異的單晶氧化鋅納米線陣列。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：馬淳安，陳歡，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。