一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一氧化钴及多壁碳纳米管的一体化电极及其制备方法。以乙酸钴作为钴源，尿素作为沉淀剂，去离子水作为溶剂，通过水热及后续煅烧工艺，在预处理后的泡沫铜上负载一氧化钴和碳纳米管复合材料，将其直接作为锂离子电池的一体化电极。本发明专利技术简化了电极制备流程，避免了粘结剂和导电剂的引入，具有良好的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极及其制备方法。
技术介绍
随着现代工业的高度发展以及人类社会对能源的不断需求，能源短缺的问题日渐突出，开发高效、可再生的新能源迫在眉睫。锂离子电池具有高能量、长寿命、少污染、低消耗、无记忆效应等优点，在缓解能源紧缺等方面发挥着非常显著的作用，近年来已成为各个领域重要的能量储存设备。随着环保节能、新能源汽车等战略性新兴产业的发展，提高锂离子电池综合性能的需求日益增加。目前商业化碳类负极材料实际比容量低(约325-360mAh/g)、首次不可逆损失大、倍率性能差，是限制锂离子电池发展的重要原因之一。科研工作者们急需研发出比容量高、倍率性能好、稳定的新型负极材料，以制备出具有良好电化学性能的锂离子电池。一氧化钴因比容量高(～716mAh/g)、储量丰富等优点成为目前锂离子电池负极材料的研究热点。然而，其面临着诸多问题，如电子传导率低导致电极反应的可逆性不佳和充放电倍率性能差，活性物质剧烈的体积膨胀与粉化引发的容量衰减，以及充放电过程中固态电解质界面膜造成初期不可逆容量损失大等。近年来，针对以上问题，研究者们已通过各种方式来改善一氧化钴的电化学性能。如中国专利申请第201610147213.6号公开了一氧化钴/石墨烯复合物锂离子电池负极材料的制备方法。采用原位合成法，以乙酸钴作为钴源，氢氧化锂作为沉淀剂，水作为溶剂，利用氢氧化锂较高的沉钴率，采用简单的超声、搅拌和高温煅烧，制备的一氧化钴/石墨烯复合材料在循环50次后可以保持650mAh/g的可逆比容量。该专利技术产品比容量较低，循环次数少，电化学性能有待提高。如中国专利申请第201710124049.1号公开了片状一氧化钴-二维层状碳化钛复合材料及其两步制备法。通过均匀沉淀-热处理两步法，将Ti3C2和六水氯化钴与不同浓度的尿素水溶液进行混合然后在一定温度下热处理，后经过保护气体煅烧，制备的片状一氧化钴-二维层状碳化钛复合材料在100mA/g的电流密度下循环60次后可以保持220mAh/g的可逆比容量。该专利技术产品可逆比容量低，稳定性差，不适合制备成锂离子电池负极材料。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术针对锂离子电池一氧化钴负极材料导电性差、体积膨胀大、初期不可逆容量损失大、比容量低和倍率性能差等问题，至少提供如下技术方案：一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极的制备方法，其包括以下步骤：电极基体的预处理；将质量比为1:2-3的钴源和沉淀剂溶解于20-40毫升的溶剂中，再加入一定量的多壁碳纳米管，搅拌分散形成反应溶液；将上述预处理后的电极基体放入上述反应溶液中，在80-160℃下水热反应8-18小时；水热反应后，先将所述电极基体干燥，然后再进行煅烧，从而形成所述一体化电极。进一步的，所述电极基体的预处理具体包括，将所述电极基体裁剪为预定尺寸及预定形状，在盐酸、丙酮及去离子水中各超声清洗8-15分钟，在50-80℃下真空干燥备用。进一步的，其特征在于，所述形成反应溶液的步骤中，所述多壁碳纳米管的量为0.001-0.003克。进一步的，所述先将所述电极基体干燥，然后再进行煅烧具体为，先将所述电极基体在50-80℃下干燥8-16小时，然后在350-550℃下煅烧3-6小时。进一步的，所述多壁碳纳米管的量为0.002克。进一步的，所述搅拌分散的时间为4-8小时。进一步的，在所述水热反应后，及所述电极基体干燥之前，还需将所述电极基体自然冷却，然后将所述电极基体清洗。进一步的，所述钴源为四水合乙酸钴，所述沉淀剂为尿素，所述溶剂为去离子水，所述四水合乙酸钴为0.23克，所述尿素为0.57克，所述去离子水为30毫升。一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极，所述电极包括电极基体，所述电极基体上负载着一氧化钴纳米片团簇，所述多壁碳纳米管缠绕包覆一氧化钴纳米片团簇。进一步的，所述电极基体为泡沫铜集流体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少如下：(1)本专利技术在电极基体上负载一氧化钴和多壁碳纳米管复合材料作为一体化电极，具有比表面积大、化学结构稳定、导电性好等优点，既能减少一氧化钴在充放电过程由于体积膨胀引起的电极粉化与崩塌，又能提升电极的倍率性能及其在深度循环后的利用率。(2)本专利技术在电极基体上负载一氧化钴和多壁碳纳米管复合材料，相比单一负载物，碳纳米管包覆一氧化钴纳米片可以增加材料导电性，并减少一氧化钴材料与电解液的接触面积，从而减少因固态电解质界面膜生成而导致的不可逆锂离子消耗，以提高电极首次库伦效率和整体导电性。(3)本专利技术的制备方法减少了电池组装过程中涂浆、压片等流程，避免了电极制作过程中粘结剂和导电剂的引入，制备方法简单方便。附图说明图1为加入多壁碳纳米管量为0.002克条件下获得的其一体化电极的XRD图。图2为加入多壁碳纳米管量为0.002克条件下获得的其一体化电极的SEM图。图3为加入多壁碳纳米管量为0.002克条件下获得的其一体化电极的TEM图。图4为以加入多壁碳纳米管量为0.002克条件下获得的其一体化电极装配的电池在200mA/g、2A/g和5A/g的电流密度下的循环曲线图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术的制备方法及其电性能等情况作详细说明，但实施例并不对本专利技术做任何形式的限定。电极基体的预处理：本实施例中，电极基体具体为泡沫铜，为后续的电池性能测试需要，将其泡沫铜裁剪为直径14毫米的圆形以形成其电极基体，将裁剪后的泡沫铜依次在盐酸、丙酮及去离子水中超声清洗各10分钟，在60℃下真空干燥后备用。取四水合乙酸钴0.23克作为钴源，取尿素0.57克作为沉淀剂，以去离子水作为溶剂，将上述四水合乙酸钴以及尿素溶解于30毫升的去离子水中，以及尿酸0.57克溶解于30毫升去离子水中，搅拌为澄清溶液后，加入0.002克多壁碳纳米管，以300～500rpm的转速剧烈磁力搅拌，分散5小时形成反应溶液。将预处理后的泡沫铜和上述溶液转移至50毫升反应釜，在120℃下保温16小时后自然冷却。将自然冷却后所得泡沫铜电极用去离子水清洗，然后在60℃下干燥12小时。将其放入氩气气氛的管式炉中，在管式炉中以2℃/min的升温速率升至450℃，煅烧4小时，得到泡沫铜负载一氧化钴和多壁碳纳米管复合材料一体化电极。在另一实施例中，加入的多壁碳纳米管量调整为0.001克；在另一实施例中，加入的多壁碳纳米管量调整为0.003克。将获得的其一体化电极直接作为没有粘合剂和导电碳的工作电极，锂片作为对电极和参比电极，聚丙烯膜(Celgard2400)作为隔膜，含1mol/L六氟磷酸锂的体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯混合溶液作为电解液，在充满氩气的超级净化手套箱中装配成CR2032型扣式电池。装配后的电池在多通道电池测试仪(NetwareBTS-610)上进行恒电流放电/充电测试，电压范围为0.01至3V，电流密度不同。由此可见，本专利技术的制备方法减少了电池组装过程中涂浆、压片等流程，避免了电极制作过程中粘结剂和导电剂的引入，制备方法简单方便。采用本实施例的方法获得的泡沫铜负载一氧化钴和多壁碳纳米管复合材料一体化电极，在200mA/g的电流密度下循环100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：电极基体的预处理；将质量比为1:2‑3的钴源和沉淀剂溶解于20‑40毫升的溶剂中，再加入一定量的多壁碳纳米管，搅拌分散形成反应溶液；将上述预处理后的电极基体放入上述反应溶液中，在80‑160℃下水热反应8‑18小时；水热反应后，先将所述电极基体干燥，然后再进行煅烧，从而形成所述一体化电极。

【技术特征摘要】
1.一氧化钴及多壁碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：电极基体的预处理；将质量比为1:2-3的钴源和沉淀剂溶解于20-40毫升的溶剂中，再加入一定量的多壁碳纳米管，搅拌分散形成反应溶液；将上述预处理后的电极基体放入上述反应溶液中，在80-160℃下水热反应8-18小时；水热反应后，先将所述电极基体干燥，然后再进行煅烧，从而形成所述一体化电极。2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，所述电极基体的预处理具体包括，将所述电极基体裁剪为预定尺寸及预定形状，在盐酸、丙酮及去离子水中各超声清洗8-15分钟，在50-80℃下真空干燥备用。3.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，所述形成反应溶液的步骤中，所述多壁碳纳米管的量为0.001-0.003克。4.根据权利要求1或2的所述方法，其特征在于，所述先将所述电极基体干燥，然后再进行煅烧具体为，先将所述电极基...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵灵智，郭娅芸，廖明娜，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44