一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池电极材料的制备技术领域，具体公开了一种纳米Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料的制备方法。该方法首先将净化处理后的木棉纤维浸入一定浓度的Co(NO3)2溶液中，待木棉纤维变成均匀的粉红色后取出沥干。利用氨气的扩散获得氢氧化钴/碳的前驱体。控制热处理时间即得到Cox/(CoO)y/Cz复合材料。本发明专利技术提供了一种新的锂离子电池碳基复合负极材料的制备方法，所得Cox/(CoO)y/Cz负极材料具有充放电反应可逆性好、循环性能优异、化学反应活性高、制备工艺条件简单等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池电极材料的制备
，具体涉及一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池因具有其它传统二次电池不可比拟的优异性能而广泛应用于移动电子设备以及电动交通工具领域。负极材料作为锂离子电池必不可少的组成部分，一直是科学家们研究的热点。而传统的碳基负极材料理论比容量较低，无法满足飞速发展的当今社会中人们对大容量、高性能电池的需求。过渡金属氧化物理论比容量高如CoO理论比容量达到为716mAh·g-1，被认为是一类极具希望代替碳材料的负极材料。但是，过渡金属氧化物在充放电过程中存在的体积膨胀效应，导致电极材料的结构破坏，粉化脱落，继而影响了电池的循环稳定性。目前增强过渡金属氧化物电化学性能的方法主要分为纳米化和复合化两种。制备过渡金属氧化物电极材料的方法主要有水热法、溶胶—凝胶法、氨诱导法、静电纺丝法等，这些方法均可以制备出不同形貌的纳米结构。但是，这些合成方法均存在合成工艺复杂，难操作，难控制等缺点，这为过渡金属氧化物电极材料的制备增加了成本及难题。近年来，材料研究者开始将目光投向自然，从生物架构和生物资源有效利用的角度出发，提出了利用生物材料及生物现象合成新材料的“生物模板”新概念，充分利用自然界生物材料形貌结构多样性与功能特征独特性。直接利用植物、动物及微生物等自身特殊的天然结构作为模板，通过遗传其化学成分或者形貌，制备出了一系列新材料。在自然界丰富多彩的天然模板中，植物材料具有可再生、环境友好、含碳量高、比表面积大、多孔、水分储存与运输等一系列优点。研究发现，部分天然植物材料还具有微管结构，当这些微管与液体表面接触时，能产生较为明显的“毛细现象”，液体因毛细管作用而进入微管。当微管与液体脱离接触后，微管中液体并不会流失，液体充满整个微管。受“生物模板”概念和“毛细现象”的启发，以木棉纤维作为碳源及模板，利用木棉纤维含碳量高及毛细现象，制备出特殊结构的Cox/(CoO)y/Cz复合材料有望提高电化学性能。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供了一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料的制备方法，所得负极材料具有充放电反应可逆性好、循环性能优异、化学反应活性高、制备工艺条件简单等诸多优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案得以实现的。一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料制备方法，其步骤如下：(1)将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5～1小时，取出，烘干后将其剪成长度约为2～5mm的小段，并将其分散于无水乙醇中，超声振荡0.5～1小时。(2)配置物质的量浓度为2～4mol/L的Co(NO3)2溶液。(3)将步骤(1)中经清洗后的木棉纤维从无水乙醇中捞出，沥干表面液体，完全浸入配好的Co(NO3)2溶液中。待木棉纤维变成均匀的粉红色后取出，沥干表面液体。(4)将步骤(3)所得沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方，利用氨气的扩散，使木棉纤维中含有的硝酸钴与氨气反应，待木棉纤维的颜色成为蓝绿色时，立即停止反应，获得氢氧化钴/木棉纤维的前驱体。(5)将步骤(4)得到的前驱体放入石墨舟，密封好后置于管式炉中，在惰性气氛保护下，以一定升温速率升温至500～800℃，然后保温1～4小时，优选3～4小时。随炉冷却至室温后取出。(6)将步骤(5)的产物经过手工研磨成粉后即得到最终产物Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料。所述惰性气氛条件为氮气或者氩气气氛。所述步骤(5)中升温速率为5℃/min。所述浓氨水的质量百分比浓度为25％～28％。所得产物命名为Cox/(CoO)y/Cz是因为随着保温时间的延长，化学成分会发生改变，保温时间短的话最终成分可能会同时含有CoO和Co，命名为Co@CoO/C；保温时间加长，最终产物化学成分可能只含有Co，而没有CoO，为Co/C。与现有技术相比，本专利技术方法的优点与有益效果在于：本专利技术为一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料的制备方法，将天然木棉纤维同时作为生物模板和碳源，利用木棉纤维含碳量高以及毛细现象，结合微试管反应法，在中空的管状纤维壁上成功负载纳米颗粒，控制加热保温时间，从而制备出Cox/(CoO)y/Cz复合纳米材料。所使用的木棉纤维作为生物模板其本身并不具有生物活性，但其管壁依然可以成功包覆生成的纳米Co或者CoO颗粒，这为其他无活性的生物模板材料提供了理论依据和实验基础，拓展了生物模板的应用范围。在热处理过程中，木棉纤维经高温转化为导电性良好的无定形“碳骨架”，并为纳米颗粒的生成提供了还原性条件。通过对Cox/(CoO)y/Cz电极进行电化学性能测试，得出本专利技术所制备的特殊结构形貌的Cox/(CoO)y/Cz复合纳米材料具有良好的循环性能以及优异的倍率性能。附图说明图1、图2为实施例1所制得的产品Co@CoO/C复合锂离子电池电极材料的扫描电镜图片。图3为实施例1所制得的产品Co@CoO/C复合锂离子电池电极材料的透射电镜图片。图4为实施例1所制得的产品Co@CoO/C复合锂离子电池电极材料的X射线衍射图片。图5、图6为实施例2所制得的产品Co/C复合锂离子电池电极材料扫描电镜图片。图7为实施例2所制得的产品Co/C复合锂离子电池电极材料的透射电镜图片。图8为实施例2所制得的产品Co/C复合锂离子电池电极材料的X射线衍射图片。图9为实施例1所制得的产品Co@CoO/C复合锂离子电池电极材料的倍率循环曲线图。图10为实施例1所制得的产品Co@CoO/C复合锂离子电池电极材料在0.1A/g条件下的放电曲线。图11为实施例2所制得的产品Co/C复合锂离子电池电极材料在0.1A/g条件下的放电曲线。图12为实施例3所制得的产品CoO/C复合锂离子电池电极材料的扫描电镜图片。图13为实施例4所制得的产品CoO/C复合锂离子电池电极材料的扫描电镜图片。图1和图2可以看出，管壁内部均匀分布着鳞片状白色颗粒物，尺寸大小范围2～200nm。图3的高分辨透射电镜图片可以看出无定形碳上出现清晰的晶格条纹，表明颗粒结晶度良好。图4的X-射线衍射图片可以看出材料在36.5°、42.4°和61.5°处的衍射峰分别对应CoO的(111)、(200)和(220)晶面。在44.2°本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料制备方法，其步骤如下：（1）将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5~1小时，取出，烘干后将其剪成长度为2~5mm的小段，并将其分散于无水乙醇中，超声振荡0.5~1小时；（2）配置物质量浓度为2～4mol/L的Co(NO3)2溶液；（3）将步骤（1）中经清洗后的木棉纤维从无水乙醇中捞出，沥干表面液体，完全浸入步骤（2）配好的Co(NO3)2溶液中；待木棉纤维变成均匀的粉红色后取出，沥干表面液体；（4）将步骤（3）所得沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方，利用氨气在微管中的扩散，使木棉纤维中含有的硝酸钴溶液与氨气反应，待木棉纤维的颜色成为蓝绿色时，立即停止反应，获得氢氧化钴/木棉纤维的前驱体；（5）将步骤（4）得到的前驱体放入石墨舟，密封好后置于管式炉中，在惰性气氛保护下，以一定升温速率升温至500～800 ℃，然后保温1～4小时，随炉冷却至室温后取出；（6）将步骤（5）的产物经过手工研磨成粉后即得到最终产物Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种Cox/(CoO)y/Cz复合锂离子电池电极材料制备方法，其步骤如下：
（1）将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5~1小时，取出，烘干后将其剪成长度为2~5mm的小段，并将其分散于无水乙醇中，超声振荡0.5~1小时；
（2）配置物质量浓度为2～4mol/L的Co(NO3)2溶液；
（3）将步骤（1）中经清洗后的木棉纤维从无水乙醇中捞出，沥干表面液体，完全浸入步骤（2）配好的Co(NO3)2溶液中；
待木棉纤维变成均匀的粉红色后取出，沥干表面液体；
（4）将步骤（3）所得沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方，利用氨气在微管中的扩散，使木棉纤维中含有的硝酸钴溶液与氨气反应，待木棉纤维的颜色成为蓝绿色时，立即停止反应，获得氢氧化钴/木棉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜军，王锋，丁瑜，程雪娟，覃彩芹，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42