一种用于锂离子空气电池的Co3O4‑Si‑C‑聚苯胺负极材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于锂离子空气电池的Co3O4‑Si‑C‑聚苯胺负极材料的制备方法，包括以下步骤：将泡沫镍在30％的浓硝酸中浸泡5min，形成导电集流体；将导电集流体转移至装有硝酸钴、尿素和氟化铵的混合水溶液在反应釜内，加热焙烧反应，洗涤干燥高温煅烧制得Co3O4的纳米线结构阵列；将可溶性硅源溶解于离子液体体系中，将Co3O4的纳米线结构阵列作为阴极，以惰性电极为阳极，在恒压电沉积，清洗分离得到含硅层的Co3O4材料；再进行喷C表面处理，聚苯胺研磨处理，得到用于锂离子空气电池的Co3O4‑Si‑C‑聚苯胺负极材料。本发明专利技术制备的负极材料中将硅和聚苯胺加入其中，提高了材料的比容量，且可一直硅材料的体积变化。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法
本专利技术属于锂离子空气负极材料
，具体涉及一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法。
技术介绍
随着世界人口数量的迅速增长和化学染料的大量消耗，能源短缺和环境污染状况日益严重，人类的生存受到了极大的威胁，寻求可替代新能源技术，目前已经开发的新型可再生能源包括风能、太阳能和潮汐能等，这些能源储存量巨大且环境友好，具有广阔的发展前景，但是这些能源具有难控制的随机性和可变性，因此开发出高效、清洁的储能技术将这些能源利用，将有望解决环境污染和能源危机问题。锂离子电池与其他电池相比，局域高电压、高比能量、高充放电速率、低自放电率、良好的充放电寿命、小环境污染等优点。锂离子空气电池以轻质金属锂为阳极，以空气中的氧气为阴极活性物质，具有类似染料电池的半开放式结构，氧气来源广泛，密度低，能量密度高，因此锂离子空气电池具有研究价值，锂离子空气电池主要集中在电解质和阴极催化剂，其中空气阴极在没有催化剂时，氧还原和析出反应的动力学十分缓慢，中间产物的活化能较高，电极的计划程度较大，因而充放电电势较大。目前，锂离子空气电池阴极催化剂主要有碳催化剂、金属氧化物/碳催化剂、贵金属/碳催化剂、贵金属/金属氧化物/碳催化剂等。CO3O4是具有应用前景的锂空气电池双功能催化剂，对氧气的还原反应和析氧反应具有较好的催化作用，既可以减小极化、降低电池的充电电压，又可以提高电池的放电平台。中国专利CN103094559B公开的一种CO3O4/C锂离子电池负极材料及其制备方法，是利用硝酸钴和葡萄糖反应，高温处理得到表面包覆薄碳层的CO3O4多孔纳米球，该材料制备方法简单，材料的可逆容量高、循环稳定性好、充放电倍率性能好。中国专利CN102903534B公开的CO3O4-Au-MnO2三维分级异质纳米片阵列超级电容器材料的制备方法，将泡沫镍、DMSO和CO(NO3)2作为原料，利用电化学沉积技术制备得到前驱体CO3O4纳米片阵列，然后利用等离子体溅射技术在表面蒸镀Au，再利用电化学技术在表面沉积MnO2，制备得到复合材料，该材料为三维分级异质结构，电化学性能优异。硅材料的吸引力源可达4200mAh/g的理论容量，自然资源丰富和低工作电压，但是硅在锂离子嵌入/脱出过程中会伴随着巨大的体积膨胀，产生的巨大的应力会引起硅的脱离，因此如何将硅材料添加到CO3O4复合材料中，显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法，将Co3O4的纳米线结构阵列的表面分别附着硅材料和碳材料，再与聚苯胺研磨形成复合电极材料。本专利技术制备的复合电极材料比表面积高，比容量高，制备方法更加高效。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将泡沫镍在浓硝酸中浸泡5min，形成导电集流体；(2)将步骤(1)制备的导电集流体转移至装有硝酸钴、尿素和氟化铵的混合水溶液的反应釜内，加热至120℃下反应1-5h，冷却至室温，产品洗涤干燥后经高温煅烧制得Co3O4的纳米线结构阵列；(3)将可溶性硅源溶解于含有0.25M的SiCl4的季铵盐离子液体体系中，将步骤(2)制备的Co3O4的纳米线结构阵列作为阴极，以惰性电极为阳极，在50℃下进行恒压电沉积，将电沉积产物经过丙酮清洗分离出离子液体得到含硅层的Co3O4材料；(4)将步骤(3)制备的含硅层的Co3O4材料采用KYKYSBC-2表面处理机进行喷C表面处理，得到Co3O4-Si-C负极材料；(5)将聚苯胺与步骤(4)制备的Co3O4-Si-C负极材料混合后放入玛瑙研钵中，快速研磨2-3h，得到用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，浓硝酸的浓度为30％。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，混合水溶液是将1-3g硝酸钴、0.3-0.5g氯化铵和1-3g尿素溶解于50mL蒸馏水中，缓慢搅拌约30min。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，反应釜的内衬为聚四氟乙烯。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，反应釜中反应溶液填充料为80％。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，有机物为去离子水和乙醇。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，干燥的温度为80℃，干燥的时间为12h，高温煅烧的温度为350-450℃，高温煅烧的时间为3h。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，惰性电极为Pt网电极。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，恒压电沉积的电压为-2.4--2.6V，时间为1-5h。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料中聚苯胺的质量分数为10-15％。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术制备的用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料是以泡沫镍作为基底，泡沫镍具有大的比表面积，能提高复合阴极材料中活性物质的质量，并省去了粘结剂和导电碳黑等的添加，从而提高材料的导电性能。(2)本专利技术制备的用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的主要材料为Co3O4，Co3O4作为双功能催化剂，可显著提高锂离子空气电池的性能，但是单独使用时随着反应的进行，对氧气还原反应的催化作用会明显衰减，在Co3O4的表面先后包覆硅、碳和聚苯胺，碳包覆层具有高导电性能，硅包覆层大大提高比容量，聚苯胺提高复合材料的韧性，因此该复合阴极材料为氧气提供足够的扩散通道，也可以为放电产物提供附着点，有利于放电产物的析出，一直硅体积的变化，提高复合阴极材料的长期使用性。(3)本专利技术采用离子液体作为电解液，采用电沉积技术，在Co3O4的表面包覆硅纳米颗粒，与传统的溶胶-凝胶-还原工艺相比，更加高效快捷，再经喷碳和快速研磨技术，制备方法更加简单高效。具体实施方式下面将结合具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。实施例1：(1)将泡沫镍在30％的浓硝酸中浸泡5min，去除表面的氧化层，然后将1.46g的硝酸钴、1.5g的尿素和0.37g的氟化铵溶解在50mL的蒸馏水中，整个加入过程在磁力搅拌下进行，搅拌30min，将整个混合溶液移入内衬为聚四氟乙烯的反应釜内，将裁剪过的泡沫镍放入四氟乙烯中，反应溶液填充量80％，在120℃下反应5h，反应后，冷却至室温，然后用去离子水会和乙醇交替清洗三次以去除杂质，然后在80℃下的干燥箱中处理12h，最后在450℃条件下焙烧3h，制得Co3O4的纳米线结构阵列。(2)将可溶性硅源溶解于含有0.25M的SiCl4的季铵盐离子液体体系中，将制备的直接生长泡沫镍Co3O4的纳米线结构阵列作为阴极，以Pt网电极为惰性阳极，在50℃下，在-2.4V下恒压电沉积2h，将电沉积产物经过丙酮清洗分离出离子液体得到含单质硅层的Co3O4材料。(3)将含单质硅层的Co3O4材料采放在KYKYSBC-2表面处理机进行喷碳表面处理，得到Co3O4-Si-C负极材料，再将聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂离子空气电池的Co3O4‑Si‑C‑聚苯胺负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将泡沫镍在浓硝酸中浸泡5min，形成导电集流体；(2)将步骤(1)制备的导电集流体转移至装有硝酸钴、尿素和氟化铵的混合水溶液的反应釜内，加热至120℃下反应1‑5h，冷却至室温，产品洗涤干燥后经高温煅烧制得Co3O4的纳米线结构阵列；(3)将可溶性硅源溶解于含有0.25M的SiCl4的季铵盐离子液体体系中，将步骤(2)制备的Co3O4的纳米线结构阵列作为阴极，以惰性电极为阳极，在50℃下进行恒压电沉积，将电沉积产物经过丙酮清洗分离出离子液体得到含硅层的Co3O4材料；(4)将步骤(3)制备的含硅层的Co3O4材料采用KYKY SBC‑2表面处理机进行喷C表面处理，得到Co3O4‑Si‑C负极材料；(5)将聚苯胺与步骤(4)制备的Co3O4‑Si‑C负极材料混合后放入玛瑙研钵中，快速研磨2‑3h，得到用于锂离子空气电池的Co3O4‑Si‑C‑聚苯胺负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将泡沫镍在浓硝酸中浸泡5min，形成导电集流体；(2)将步骤(1)制备的导电集流体转移至装有硝酸钴、尿素和氟化铵的混合水溶液的反应釜内，加热至120℃下反应1-5h，冷却至室温，产品洗涤干燥后经高温煅烧制得Co3O4的纳米线结构阵列；(3)将可溶性硅源溶解于含有0.25M的SiCl4的季铵盐离子液体体系中，将步骤(2)制备的Co3O4的纳米线结构阵列作为阴极，以惰性电极为阳极，在50℃下进行恒压电沉积，将电沉积产物经过丙酮清洗分离出离子液体得到含硅层的Co3O4材料；(4)将步骤(3)制备的含硅层的Co3O4材料采用KYKYSBC-2表面处理机进行喷C表面处理，得到Co3O4-Si-C负极材料；(5)将聚苯胺与步骤(4)制备的Co3O4-Si-C负极材料混合后放入玛瑙研钵中，快速研磨2-3h，得到用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料。2.根据权利要求1所述的一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，浓硝酸的浓度为30％。3.根据权利要求1所述的一种用于锂离子空气电池的Co3O4-Si-C-聚苯胺负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，混合水溶液是将1-3g硝酸钴、0.3-0.5g氯化铵和1-3g尿素溶解于50mL蒸馏水中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，
申请(专利权)人：东莞市佳乾新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44