本发明专利技术公开了一种高比容量锂电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)有机配体H3BTPCA的合成；(2)金属-有机框架配合物(MOFs)的合成。本发明专利技术比较传统的锂离子电池负极材料(石墨)，本发明专利技术在比容量方面有很大的提高，经过一百次充放电循环，比容量由372mAh/g提高到768mAh/g.相比于金属氧化物作为锂离子电池负极材料，此发明专利技术在稳定性方面有很大的提高，经过一百次充放电循环，其比容量下降约为12％，相对于传统的氮参杂方法，这种参杂氮的方法更简单、有效。由于有机配体的多样性以及可设计性，我们可根据需要的元素或者元素的含量，设计有机配体，从而得到不同的MOF材料，进而得到不同的碳材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池负极材料的应用领域，具体涉及。
技术介绍
锂离子电池由于有高能量密度、高输出电压、无记忆效应和无环境污染等优点，得到越来越多的应用。不仅仅可以应用于各种便携式电子设备，在作为电动汽车动力电源和太阳能、风能等新能源的储能设备方面都有很大应用前景。目前商业化的锂离子电池广泛使用的负极主要是石墨类材料。但石墨理论容量低且有安全性问题，因此高理论容量、安全性好的新型负极材料得到越来越多的关注。氧化物负极材料具有理论容量高、循环性能好、安全性能高等优点，是替代石墨作为锂离子电池负极的理想材料，但导电性差、不可逆容量大和充放电前后体积变化大等问题制约其得到实际应用。研究表明，杂原子掺杂的碳材料作为锂离子电池的负极材料，在导电性能、安全性能、容量方面具有很好的性能，是良好的锂离子电池负极材料，比如:掺杂磷元素(参照:Paraknowitsch, J.P.&Thomas, A.Doping carbons beyond nitrogen:an overviewof advanced heteroatom doped carbons with boron, sulphur and phosphorusfor energy applicat1ns.Energy Environ.Sc1.6，2839 - 2855 (2013).)、硼元素(参M:ffu, Z.S., Ren, ff.C., Xu, L., Li, F.&Cheng, Η.M.Doped graphene sheets as anodematerials with superhigh rate and large capacity for lithium 1n batteries.ACS Nano 5，5463 - 5471 (2011).)、硫元素(参照:Yan, Y.，Yin, Y.X.，Xin, S.，Guo, Y.G.&ffan, L.J.1onothermal synthesis of sulfur-doped porous carbons hybridizedwith graphene as super1r anode materials for lithium-1on batteries.Chem.Commun.48，10663 - 10665(2012).)、氮元素(参照:Shin, W.Η.，Jeong, Η.Μ.，Kim, Β.G., Kang, J.K.&Choi, J.ff.Nitrogen-doped multiwall carbon nanotubes for lithiumstorage with extremely high capacity.Nano Lett.12，2283 - 2288 (2012).)，而惨杂氮元素的碳材料作为锂离子电池的负极材料展现出高容量、高稳定性等优良电化学性能。本专利技术中，金属有机框架(MOFs)是一类有机无机杂化材料，是有机配体与金属离子通过自主装形成的具有周期性网络结构的晶体材料，具有高孔隙率、大比表面积、规则孔道、骨架大小可调节等结构特点。MOFs在气体吸附分离、发光材料、催化性能等方面表现出良好的应用行性能。由于构成MOFs的有机配体的多样性以及可塑性，可以设计合成含氮量高的MOFs材料，将MOFs经过高温碳化并用酸洗后，可祛除其中的氧及金属元素，从而得到氮参杂的碳材料。已有研究表明，氮参杂的碳材料应用在锂离子电池负极材料中的比容量的大小取决于氮参杂的量。比容量:分为重量比容量与体积比容量，用的较多的是重量比容量(单位是mAh/g)，指单位重量的电池或活性物质所能放出的电量，是衡量电池性能好坏的一个重要标志。倍率性能:在不同的电流密度(如100mA/g、1000mA/g等)下对电池进行充放电，电池所表现的(比)容量大小，也是衡量电池性能好坏的一个重要标志，一般会随着充放电电流密度的升高，比容量会下降。循环性能测试:指在某一电流密度下对电池进行充放电，看充放电次数对比容量的影响。
技术实现思路
专利技术目的:为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了。技术方案:，包括如下步骤:步骤(1)、有机配体H3BTPCA的合成:a.将4-哌啶甲酸加入烧瓶中，再向烧瓶中加入3ml浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，并向其中加入0.92g，llmmol的碳酸氢钠和0.6g三聚氰氯；b.将烧瓶在常温下搅拌十分钟，搅拌速度为500r/min，并在搅拌过程中向其中滴入5ml的1，4_ 二氧六环，将烧瓶加热的温度范围控制在80-130°C，加热12小时；c.待反应后，将烧瓶冷却至室温，并用稀盐酸稀释至pH = 1 ;在常温下过滤，并用水洗涤，便得到配体；步骤⑵、金属-有机框架配合物(MOFs)的合成:将H3BTPCA(0.046g，0.lmmol)、CdCl2(0.0456g, 0.2mmol)溶解在 2ml H20 和 4ml 的DMF溶剂中，将其混合液放在聚四氟乙烯的反应釜中，在80-130 °C温度范围内加热反应三天，冷却至室温得到此MOFs。作为进一步优化:所述步骤(1)有机配体H3BTPCA的合成中，加入烧瓶中的4-哌啶甲酸的容量为:l_2g，10-15mmolo作为进一步优化:所述步骤⑵、金属-有机框架配合物(MOFs)的合成中，加入的H3BTPCA 的容量为:0.04-0.05g，0.05-0.2mmol。作为进一步优化:所述步骤⑵、金属-有机框架配合物(MOFs)的合成中，加入的〇(1(:12的容量为:0.04-0.06g, 0.1-0.3mmolo有益效果:本专利技术的具体优势如下:(1)本专利技术比较传统的锂离子电池负极材料(石墨)，本专利技术在比容量方面有很大的提高，经过一百次充放电循环，比容量由372mAh/g提高到768mAh/g.相比于金属氧化物作为锂离子电池负极材料。(2)本专利技术在稳定性方面有很大的提高，经过一百次充放电循环，其比容量下降约为12%，相对于传统的氮参杂方法，这种参杂氮的方法更简单、有效。(3)本专利技术中，由于有机配体的多样性以及可设计性，我们可根据需要的元素或者元素的含量，设计有机配体，从而得到不同的M0F材料，进而得到不同的碳材料。(4)商业石墨材料作为锂离子电池的负极材料，在稳定性、倍率性能表现突出，但是其匹配性较差，比容量(372mAh/g)还是太小，不能满足电池发展的需要。而本专利技术成功合成一种新型的MOFs材料，经过处理得到一种氮掺杂的碳材料，将其作为锂离子电池的负极材料，成功提高了锂离子电池的比容量(768mAh/g)。【附图说明】图1是本专利技术中有机配体H3BTPCA的合成反应步骤示意图；图2是本专利技术中Cd-MOFs的合成反应步骤示意图；图3是本专利技术中Cd-MOF的结构分析图:(a)配体的配位环境图，一个配体和六个Cd金属离子配位；(b) Cd金属通过配体羧酸的桥联，形成一个一维的金属链；(c)MOFs的三维结构图，图中可以明显看到此M0F有两种不同的一维孔道；图4是本专利技术中Cd-MOF在600°C _900°C氮气氛围下碳化并用酸洗后的结构分析图:(a)是此M0F在600°C _900°C氮气氛围下碳化并用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高比容量锂电池负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、有机配体H3BTPCA的合成：a.将4‑哌啶甲酸加入烧瓶中，再向烧瓶中加入3ml浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，并向其中加入0.92g，11mmol的碳酸氢钠和0.6g三聚氰氯；b.将烧瓶在常温下搅拌十分钟，搅拌速度为500r/min，并在搅拌过程中向其中滴入5ml的1，4‑二氧六环，将烧瓶加热的温度范围控制在80‑130℃，加热12小时；c.待反应后，将烧瓶冷却至室温，并用稀盐酸稀释至pH＝1；在常温下过滤，并用水洗涤，便得到配体；步骤(2)、金属‑有机框架配合物(MOFs)的合成：将H3BTPCA(0.046g，0.1mmol)、CdCl2(0.0456g,0.2mmol)溶解在2ml H2O和4ml的DMF溶剂中，将其混合液放在聚四氟乙烯的反应釜中，在80‑130℃温度范围内加热反应三天，冷却至室温得到此MOFs。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡跃鹏，魏雷鸣，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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