四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，其中所述方法包括如下步骤：(1)静电纺丝过程，制备含有钴的高分子聚合物纳米纤维并干燥所述含有钴的高分子聚合物纳米纤维；以及(2)热处理过程，制得四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。本发明专利技术的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料可用于锂离子电池负极材料，具有高的容量和良好的导电性，同时抑制了体积膨胀，使得锂离子电池的循环性能良好。

【技术实现步骤摘要】
四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米复合
，具体涉及四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池商业化负极材料主要是碳材料，碳材料作为锂离子电池负极材料具有电极电位低，循环效率高，循环寿命长，安全性能高，价格低廉等优点。但是碳材料理论容量低，其比容量仅为200-400mAh/g，电位接近金属锂，充电时容易发生锂枝晶的析出，已经无法满足日益发展的电动设备对于锂离子电池高容量的需求。截至目前，研究中的其他负极材料主要有合金类材料以及金属氧化物类负极材料。金属氧化物的放电平台普遍高于碳材料，可以在一定程度上抑制锂枝晶的产生，有利于提高电池安全性。四氧化三钴为其中典型的一种，它的理论容量远高于碳材料，但是作为负极材料在充放电过程中体积膨胀较大，且导电性差。因此，在碳材料中嵌入四氧化三钴纳米颗粒，是一种制备锂离子电池负极材料的高效方法，使得材料既有很高的容量，又有良好的导电性，同时体积膨胀也得到了抑制，循环性能良好。现有技术中鲜有在碳材料中嵌入四氧化三钴纳米颗粒，是一种制备锂离子电池负极材料的高效方法，本专利技术的专利技术人经过创造性劳动专利技术四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及制备方法，以及应用于锂离子电池负极材料所取得的显著效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。本专利技术的技术是这样实现的：四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料、制备方法及应用。首先，本专利技术提供四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)静电纺丝过程，制备含有钴的高分子聚合物纳米纤维并干燥所述含有钴的高分子聚合物纳米纤维；以及，(2)热处理过程，制得所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。在本专利技术的一个方面，在步骤(1)中，制备纺丝前驱体溶液，将所述的前驱体溶液通过一定的参数条件进行静电纺丝，得到含有钴的高分子聚合物纳米纤维，将得到的所述高分子聚合物纳米纤维真空干燥。在本专利技术中，所述制备纺丝前驱体溶液是指：将钴盐与有机高分子聚合物以一定比例溶于溶剂，在加热条件下进行搅拌至均匀，形成前驱体溶液。在本专利技术的另一方面，在步骤(2)中，所述热处理过程包括三个步骤：(2-1)将干燥后的含有钴的高分子聚合物纳米纤维在空气中加热到一定温度保温数小时，并缓慢冷却至室温；(2-2)置于惰性气体保护下加热至高温并保温数小时，得到含钴的碳纳米纤维；(2-3)将含钴的碳纳米纤维再在空气中热处理得到所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。在本专利技术的一个方面，在步骤(1)中，所述有机高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或两种或多种，所述溶剂为去离子水、无水乙醇、N，N-二甲基酰胺中的一种或两种或多种，钴盐选择为六水合硝酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴的一种或两种或多种。进一步的，所述有机高分子聚合物浓度为8wt％-12wt％；钴盐与高分子聚合物的质量比为1∶10-1∶1。在本专利技术的上述实施方式中，所述静电纺丝过程中所加电场强度为0.5-2kv/cm。优选的，在本专利技术的步骤(2-1)中，在空气中氧化时，加热温度在150-300℃之间，加热时间在1-5h之间；在步骤(2-2)中，惰性气体是在氩气或者氮气，加热温度在700-1200℃，加热时间在1-5h之间；在步骤(2-3)中，所述空气中热处理是进行氧化热处理，所述氧化热处理的温度在200℃-400℃之间，加热时间在1-10h之间。本专利技术还提供了上述方法制备得到四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料，优选的，所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的比表面积和热稳定性均有提高。本专利技术还提供了上述方法制备得到四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料，优选的，所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料表面粗糙，四氧化三钴纳米颗粒镶嵌在碳纳米纤维内部及表面，四氧化三钴纳米颗粒尺寸在10-220hm之间，碳纳米纤维直径在80-250nm之间。本专利技术的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料或者本专利技术上述方法制备得到的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料用作锂离子电池负极材料。本专利技术的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的形貌均匀，具有很高的比表面积，热稳定性好，也是一种循环性能好，容量高的锂离子电池负极材料。填补了本领域的技术空白，提供了一种高效制备优良的锂离子电池负极材料的技术路线。本专利技术的积极效果是纳米材料的小尺寸显著增加了锂离子脱嵌速率，因此锂离子在电极材料中的传输距离降低了，同时材料比表面积大，为材料在充放电过程中提供更多的嵌锂空间，材料的循环性能好，容量高。附图说明图1是本专利技术的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的扫描电镜示意图。具体实施方法式本专利技术上述的四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)静电纺丝过程，制备含有钴的高分子聚合物纳米纤维并干燥所述含有钴的高分子聚合物纳米纤维；以及，(2)热处理过程，制得所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。在本专利技术的一个方面，在步骤(1)中，制备纺丝前驱体溶液，将所述的前驱体溶液通过一定的参数条件进行静电纺丝，得到含有钴的高分子聚合物纳米纤维，将得到的所述高分子聚合物纳米纤维真空干燥。在本专利技术中，所述制备纺丝前驱体溶液是指：将钴盐与有机高分子聚合物以一定比例溶于溶剂，在加热条件下进行搅拌至均匀，形成前驱体溶液。在本专利技术的另一方面，在步骤(2)中，所述热处理过程包括三个步骤：(2-1)将干燥后的含有钴的高分子聚合物纳米纤维在空气中加热到一定温度保温数小时，并缓慢冷却至室温；(2-2)置于惰性气体保护下加热至高温并保温数小时，得到含钴的碳纳米纤维；(2-3)将含钴的碳纳米纤维再在空气中热处理得到所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。在本专利技术的一个方面，在步骤(1)中，所述有机高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或两种或多种，所述溶剂为去离子水、无水乙醇、N，N-二甲基酰胺中的一种或两种或多种，钴盐选择为六水合硝酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴的一种或两种或多种。进一步的，所述有机高分子聚合物浓度为8wt％-12wt％；钴盐与高分子聚合物的质量比为1∶10-1∶1。在本专利技术的上述实施方式中，所述静电纺丝过程中所加电场强度为0.5kv-2kv。优选的，在本专利技术的步骤(2-1)中，在空气中氧化时，加热温度在150-300℃之间，加热时间在1-5h之间；在步骤(2-2)中，惰性气体是在氩气或者氮气，加热温度在700-1200℃，加热时间在1-5h之间；在步骤(2-3)中，所述空气中热处理是进行氧化热处理，所述氧化热处理的温度在200℃-400℃之间，加热时间在1-10h之间。本专利技术还提供了上述方法制备得到四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料，优选的，所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料表面粗糙，四氧化三钴纳米颗粒镶嵌在碳纳米纤维内部及表面，四氧化三钴纳米颗粒尺寸在10-220nm之间，碳纳米纤维直径在80-250nm之间。以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步描述：实施例1将0.5g四水合乙酸钴与1g聚丙烯腈(PAN)混合，加入9gN，N-二甲基酰胺，进行磁力搅拌，搅拌温度为70℃，时间为2h。搅拌均匀后静置12h，配置成前驱体。将溶胶装入塑料针筒进行电纺丝，电场强度为1kv/cm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)静电纺丝过程，制备含有钴的高分子聚合物纳米纤维并干燥所述含有钴的高分子聚合物纳米纤维；以及，(2)热处理过程，制得所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)静电纺丝过程，制备含有钴的高分子聚合物纳米纤维并干燥所述含有钴的高分子聚合物纳米纤维；以及，(2)热处理过程，制得所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，在步骤(1)中，制备纺丝前驱体溶液，将所述的前驱体溶液通过一定的参数条件进行静电纺丝，得到含有钴的高分子聚合物纳米纤维，将得到的所述高分子聚合物纳米纤维真空干燥。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述制备纺丝前驱体溶液是指：将钴盐与有机高分子聚合物以一定比例溶于溶剂，在加热条件下进行搅拌至均匀，形成前驱体溶液。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热处理过程包括三个步骤：(2-1)将干燥后的含有钴的高分子聚合物纳米纤维在空气中加热到一定温度保温数小时，并缓慢冷却至室温；(2-2)置于惰性气体保护下加热至高温并保温数小时，得到含钴的碳纳米纤维；(2-3)将含钴的碳纳米纤维再在空气中热处理一定时间得到所述四氧化三钴/碳纳米纤维复合材料。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述有机高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或两种或多种，所述溶剂为去离子水、无水乙醇、N，N-二甲基酰胺中的一种或两...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨森，张垠，石倩，周超，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61