钴基锂离子电池负极材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钴基锂离子电池负极材料制备方法，包括步骤：制作功能化碳纳米管；制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4。本发明专利技术提供的钴基锂离子电池负极材料制备方法，通过简单的高压水热法制备高首次库伦效率的碳纳米管内嵌连接的沙琪玛状Co3O4复合负极材料，制备方法简单，制备所得的碳纳米管内嵌连接的沙琪玛状Co3O4复合负极材料具有高首次库伦效率，有效地提高了倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
钴基锂离子电池负极材料制备方法
本专利技术涉及电池
，尤其涉及钴基锂离子电池负极材料制备方法。
技术介绍
首次库伦效率是评价锂离子电池负极材料性能的重要指标之一，首次库伦效率过低会减少锂离子电池的能量密度，消耗过多的锂，增加电池成本。在相关技术中，使用过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料，虽然过渡金属氧化物具有远高于石墨材料的容量，且价格低廉、对环境无污染、具有更高的安全性，但是其首次库伦效率一般只能达到60%至70%，过低的首次库伦效率极大地限制了其商业化应用。过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料具有理论比容量高，资源丰富、制备简单等优点，是一种在动力锂离子电池领域具有应用前景的负极材料。在过渡金属氧化物第一次放电过程中，由于电解液在电极材料表面分解与锂反应生成SEI膜，此过程不可逆。所以，一般来说，电极材料比表面积越大，生成SEI膜范围越广，耗锂越多，首次库仑效率越低。因此，现有技术使用过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料存在的首次库仑效率低，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提出的钴基锂离子电池负极材料制备方法，旨在解决现有技术使用过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料存在的首次库仑效率低的技术问题。本专利技术提供一种钴基锂离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：制作功能化碳纳米管：将未经处理的碳纳米管分散在酸、去离子水中的任意一种或多种中，使用超声波均化器分散10~30分钟；将分散好的碳纳米管在20~200℃下加入明矾，剧烈搅拌冷凝回流的同时进行微波处理，反应1~5h；反应完成后冷却至室温，离心洗涤、干燥，研磨，得到功能化碳纳米管；制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4：将钴盐在去离子水与乙醇的混合液体中搅拌溶解，再加入功能化后的碳纳米管，再边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮，形成混合溶液；将分散均匀后的混合溶液倒入高压反应釜中，在干燥箱150~200℃的温度下反应5~10h；反应完成后洗涤、过滤、干燥，得到碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4复合材料。进一步地，制作功能化碳纳米管的步骤中：酸为浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸中的一种或多种，酸的体积为10~1000mL；分散的未经处理的碳纳米管的质量为100-500mg。进一步地，制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4的步骤中：钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的任意一种或多种，钴盐的质量为500~2000mg。进一步地，制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4的步骤中：加入功能化后的碳纳米管的质量为1~50mg；加入聚乙烯吡咯烷酮的质量为0.1~10g。进一步地，制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4的步骤中：混合液体中的去离子水与乙醇的比例为1:1~1:5。本专利技术所取得的有益效果为：本专利技术提供的钴基锂离子电池负极材料制备方法，通过简单的高压水热法制备高首次库伦效率的碳纳米管内嵌连接的沙琪玛状Co3O4复合负极材料。本专利技术提供的钴基锂离子电池负极材料制备方法，制备方法简单，制备所得的碳纳米管内嵌连接的沙琪玛状Co3O4复合负极材料具有高首次库伦效率，有效地提高了倍率性能。附图说明图1为本专利技术钴基锂离子电池负极材料制备方法一优选实施例的流程示意图；图2为采用本明钴基锂离子电池负极材料制备方法所制得的碳纳米管内嵌连接的沙琪玛状Co3O4复合负极材料的结构示意图；图3为沙琪玛状Co3O4/CNTs二级微结构、沙琪玛状Co3O4二级微结构与无规则Co3O4纳米颗粒的SEI膜形成示意图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1和图2所示，本专利技术第一实施例提出一种钴基锂离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：步骤S100、制作功能化碳纳米管：将未经处理的碳纳米管分散在酸、去离子水中的任意一种或多种中，使用超声波均化器分散10~30分钟；将分散好的碳纳米管在20~200℃下加入明矾，剧烈搅拌冷凝回流的同时进行微波处理，反应1~5h；反应完成后冷却至室温，离心洗涤、干燥，研磨，得到功能化碳纳米管。具体地，酸为浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸中的一种或多种，酸的体积为10~1000mL；分散的未经处理的碳纳米管的质量为100-500mg。步骤S200、制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4：将钴盐在去离子水与乙醇的混合液体中搅拌溶解，再加入功能化后的碳纳米管，再边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮，形成混合溶液；将分散均匀后的混合溶液倒入高压反应釜中，在干燥箱150~200℃的温度下反应5~10h；反应完成后洗涤、过滤、干燥，得到碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4复合材料。具体地，钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的任意一种或多种，钴盐的质量为500~2000mg。加入功能化后的碳纳米管的质量为1~50mg；加入聚乙烯吡咯烷酮的质量为0.1~10g。混合液体中的去离子水与乙醇的比例为1:1~1:5。本实施例提供的钴基锂离子电池负极材料制备方法，同现有技术相比较，可取得的有益效果如下所示：现有技术中采用过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料具有理论比容量高，资源丰富、制备简单等优点，是一种在动力锂离子电池领域具有应用前景的负极材料。但是，在过渡金属氧化物第一次放电过程中，由于电解液在电极材料表面分解与锂反应生成SEI膜（SolidElectrolyteInterface，固体电解质界面膜），此过程不可逆。所以，一般来说，电极材料比表面积越大，生成SEI膜范围越广，耗锂越多，首次库仑效率越低。因此，需构筑一个有效的结构来提高比表面积由于表面效应提高比容量，且有利于锂离子传输的同时，又能尽量减少SEI膜的形成。如图3所示，图3为沙琪玛状Co3O4/CNTs二级微结构、沙琪玛状Co3O4二级微结构与无规则Co3O4纳米颗粒的SEI膜形成示意图，其中a为沙琪玛状Co3O4/CNTs二级微结构形成示意图；b为沙琪玛状Co3O4二级微结构形成示意图；c为无规则Co3O4纳米颗粒的SEI膜形成示意图。在第一次放电过程中，电解液与微结构接触，在其外表面会生成一层SEI膜，由于组成沙琪玛状结构的四氧化三钴纳米颗粒间紧密相连，纳米颗粒间的孔径不够电解液渗入，所以在纳米颗粒表面难以形成SEI膜，从而这种沙琪玛式二级结构具有较高的首次库仑效率。另外，在充放电过程中，当在微结构表面形成绝缘的SEI膜后，电子须克服势垒宽度依靠隧道效应从导电碳传导到活性物质，这个势垒宽度与SEI膜的厚度密切相关。如果SEI膜的厚度超过势垒宽度，电子无法隧穿SEI而顺利传导到活性物质，而使活性物质失去活性。在此稳定的沙琪玛式二级结构中，由于形成的是薄的SEI膜，所以在低电流密度下充放电时具有较高的比容量。但是，如果在高电流密度下充放电时，由于微结构之间有两层SEI膜较大的电阻及微结构内部氧化物颗粒的导电性差，其倍率性能还是有一定的局限性。相比之下，对于本实施例中制备的沙琪玛状Co3O4/CNTs复合材料来说，由于CNTs(carbonnanotubes,碳纳米管)内嵌在微结构内并且微结构之间有导电性好的CNTs桥连，在整个电极结构中形成了三维导电网络，电子可以通过CNTs直接将电子从导电碳传递到活性物质，所以其倍率性能得到了非常有效地改善。本实施例提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钴基锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制作功能化碳纳米管：将未经处理的碳纳米管分散在酸、去离子水中的任意一种或多种中，使用超声波均化器分散10~30分钟；将分散好的碳纳米管在20~200℃下加入明矾，剧烈搅拌冷凝回流的同时进行微波处理，反应1~5h；反应完成后冷却至室温，离心洗涤、干燥，研磨，得到功能化碳纳米管；制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4：将钴盐在去离子水与乙醇的混合液体中搅拌溶解，再加入功能化后的所述碳纳米管，再边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮，形成混合溶液；将分散均匀后的所述混合溶液倒入高压反应釜中，在干燥箱150~200℃的温度下反应5~10h；反应完成后洗涤、过滤、干燥，得到碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种钴基锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制作功能化碳纳米管：将未经处理的碳纳米管分散在酸、去离子水中的任意一种或多种中，使用超声波均化器分散10~30分钟；将分散好的碳纳米管在20~200℃下加入明矾，剧烈搅拌冷凝回流的同时进行微波处理，反应1~5h；反应完成后冷却至室温，离心洗涤、干燥，研磨，得到功能化碳纳米管；制备碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4：将钴盐在去离子水与乙醇的混合液体中搅拌溶解，再加入功能化后的所述碳纳米管，再边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮，形成混合溶液；将分散均匀后的所述混合溶液倒入高压反应釜中，在干燥箱150~200℃的温度下反应5~10h；反应完成后洗涤、过滤、干燥，得到碳纳米管连接沙琪玛状Co3O4复合材料。2.根据权利要求1所述的钴基锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，所述制作功能化碳纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾明，曹文，刘宇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43