一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料的制备包括：（1）泡沫镍预处理；（2）用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长掺氮碳纳米管；（3）用电沉积法将三氧化钼原位复合于掺氮碳纳米管上；（4）退火。本发明专利技术制备的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料用作锂离子电池正极材料。本发明专利技术的制备方法操作简单，工艺简单，适合大规模生产；本发明专利技术的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料具有高比容量，高循环性能和良好的倍率性能，是一种性能良好的锂离子电池正极材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。本专利技术的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料的制备包括：（1）泡沫镍预处理；（2）用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长掺氮碳纳米管；（3）用电沉积法将三氧化钼原位复合于掺氮碳纳米管上；（4）退火。本专利技术制备的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料用作锂离子电池正极材料。本专利技术的制备方法操作简单，工艺简单，适合大规模生产；本专利技术的三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料具有高比容量，高循环性能和良好的倍率性能，是一种性能良好的锂离子电池正极材料。【专利说明】一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及电化学领域，尤其涉及的是一种三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
能源、信息和材料是现代社会发展的三大支柱，近年来随着社会经济的不断发展，能源短缺已经成为制约经济发展的主要因素，而同时引发的环境污染问题也越来越受到重视。为了推动可持续发展，必须大力发展各类新的绿色能源。而锂离子电池作为上世纪末发展起来的一种高效安全、无污染的新型绿色能源受到了人们的广泛关注。与传统的铅酸电池、镍氢(镉)电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、比能量高、自放电小、无污染、无记忆效应等优点，从而成为人们研究的热点并且已经被广泛的应用到移动电话、笔记本电脑、移动电子终端、航空航天、军事等各个领域。商业上广泛应用的锂离子电池正极常用钴酸锂，负极常用石墨。作为负极材料，石墨的理论容量为372mAh/g，而实际容量已经达到了 360mAh/g ;正极材料钴酸锂的理论的比容量为274mAh/g，由于实际上在充电时正极的脱锂量超过0.5时，LiCoO2晶胞会发生由三方晶系向单斜晶系的不可逆转化，从而使锂离子的可逆脱嵌受到影响，严重影响其循环性能，所以实际比容量只有140mAh/g左右。对于负极材料石墨其容量已经接近理论容量，而正极材料钴酸锂的容量只有理论容量的一半。我们注意到，锂离子电池的比容量低主要受限于正极材料比容量和负极材料比容量的严重不匹配问题。在负极材料石墨比容量已经达到较高的情况下，为了进一步提高锂离子电池的实际比容量，提高正极材料的比容量是关键。而已经成熟的正极材料钴酸锂的比容量受限于其晶体结构在脱锂量超过0.5时LiCoO2晶胞的不可逆转化，比容量的进一步提升将会严重影响其循环性能。因此开发一种新型的可以取代钴酸锂的正极材料显得尤为重要。与多孔材料相比，碳纳米管不仅同样具有比表面积大的优点，而且不像多孔碳材料那样，很多表面无法参加反应，因此，碳纳米管在锂离子电池中有着广泛的应用空间。氮掺杂作为一种调节碳材料结构及性能的有效手段，可以使碳纳米管表面活性增强，有利于与金属氧化物的复合，并且提高导电性。目前关于无机物质包覆碳纳米管的国内外报道的主要方法是溶胶凝胶法、化学沉淀法、水热或溶剂热法等。如，利用溶胶凝胶法将氧化铝包覆到碳纳米管上的报道，但这种方法能包覆的材料范围有限，而且反应时间较长。三氧化钥作为锂离子电池正极材料的研究也有报道，然而，用电化学沉积法制备三氧化钥原位复合在掺氮碳纳米管上作为一种复合正极材料应用于锂离子电池中的研究尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。本专利技术的锂离子电池复合正极材料是在掺氮碳纳米管上原位复合活性材料三氧化钥。“原位复合”具体指的是在掺氮碳纳米管表面原位反应生成三氧化钥。“原位复合”使得掺氮碳纳米管、三氧化钥和基底泡沫镍三者共同形成的复合材料能在宏观上保持多孔结构，而在纳米尺度保持三维结构，并且将这种一体化设计的复合电极用于锂离子电池正极。本专利技术的技术方案如下:一种三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料的制备方法，其步骤如下:( I)泡沫镍预处理将泡沫镍置于丙酮中超声，用蒸馏水洗涤，然后再用乙醇超声，用蒸馏水洗涤；(2)用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长掺氮碳纳米管称取二茂铁(分析纯)IOOmg和三聚氰胺(分析纯)lg，将其混合后在研钵中充分研磨至混合均匀；将(I)中处理后的泡沫镍置于载物台，放入反应仓恒温区，升温过程通Ar作为保护气，Ar流量为80cm3/min，乙烯作为碳源，达到设定温度850°C后，将二茂铁和三聚氰胺的混合物缓缓加入反应仓，得到泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构；(3)用电沉积法将三氧化钥原位复合于掺氮碳纳米管上将4ml体积分数为30%的过氧化氢溶液缓缓加入Ig钥粉中，在室温下发生放热反应，待放热反应完成后，加入50ml去离子水稀释，然后静置12小时，将其作为电镀液；以(2)中制得的泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构作为工作电极，Pt作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，在电镀液中进行恒压电沉积；(4)退火将(3)中沉积反应得到的钥的化合物和掺氮碳纳米管的复合材料在管式炉中退火，得到三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料。所述的制备方法，步骤(2)中，二茂铁lOOmg，三聚氰胺lg。所述的制备方法，步骤(3)中，电沉积的电压为-0.6V，沉积时间为120s。所述的制备方法，步骤(4)中，退火的条件是，空气气氛下，400°C退火2h。所述的制备方法制得的三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料。所述的三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料用作锂离子电池正极材料。本专利技术的有益效果为:首次采用简单的方法制备出三氧化钥原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料，并将其用作锂离子电池的正极。三氧化钥均匀的包覆在掺氮碳纳米管管壁上，使其不仅具有较大的比表面积，而且其纳米结构也有利于质子的存留，缩短锂离子扩散路径，掺氮碳纳米管的引入有效提高了三氧化钥的电子导电性，减少了体系的内电阻，提高了离子的扩散能力，从而提高了三氧化钥的利用率，显著提高了其循环稳定性。这种复合电极材料具有高比容量，高循环性能和良好的倍率性能，是一种性能良好的锂离子电池正极材料。本专利技术的制备方法操作简单，工艺简单，适合大规模生产。【专利附图】【附图说明】图1为实施例4得到的复合电极材料的扫描电镜照片。图2为实施例4所得的复合电极材料的XRD图谱。图3为实施例1与实施例4中所得的电极材料的循环性能对比图。【具体实施方式】以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。本专利技术的各种原料均可以通过市售或根据本领域的常规方法制备得到；也可以通过文献公开方法进行制备得到。实施例1(I)将泡沫镍置于丙酮中超声，用蒸馏水洗涤，然后再用乙醇超声，用蒸馏水洗涤。(2)将4ml体积分数为30%的过氧化氢溶液缓缓加入Ig钥粉中，在室温下充分反应，待放热反应完成后，加入50ml去离子水稀释,然后静置12小时,作为电镀液；将(1)中处理后的泡沫镍作为工作电极，钼片电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，用恒电压沉积法进行电化学沉积(电压为-0.6V，沉积时间为120s)。(3)将(2)中得到的钥的化合物在空气气氛下400°C下退火2小时，即在泡沫镍上得到三氧化钥。(4)用2032纽扣电池壳作为电池封装体，在充满氩气的手套箱中依次将锂片，隔膜，电极置于电池负极壳之上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料的制备方法，其特征是，步骤如下：（1）泡沫镍预处理将泡沫镍置于丙酮中超声，用蒸馏水洗涤，然后再用乙醇超声，用蒸馏水洗涤；（2）用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长掺氮碳纳米管称取二茂铁和三聚氰胺，将其混合后在研钵中充分研磨至混合均匀；将（1）中处理后的泡沫镍置于载物台，放入反应仓恒温区，升温过程通Ar作为保护气，Ar流量为80cm3/min，乙烯作为碳源，达到设定温度850℃后，将二茂铁和三聚氰胺的混合物缓缓加入反应仓，得到泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构；（3）用电沉积法将三氧化钼原位复合于掺氮碳纳米管上将4ml体积分数为30%的过氧化氢溶液缓缓加入1g钼粉中，在室温下发生放热反应，待放热反应完成后，加入50ml去离子水稀释，然后静置12小时，将其作为电镀液；以（2）中制得的泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构作为工作电极，Pt作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，在电镀液中进行恒压电沉积；（4）退火将（3）中沉积反应后得到的钼的化合物和掺氮碳纳米管的复合材料在管式炉中退火，得到三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔艳华，张辉，刘效疆，刘昊，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51