多孔钴酸锌纳米棒的制备方法及其在锂离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法及其在锂离子电池中的应用，涉及锂离子电池负极材料制备技术领域，其制备方法包括以下步骤：将Zn(CH

【技术实现步骤摘要】
多孔钴酸锌纳米棒的制备方法及其在锂离子电池中的应用
本专利技术涉及锂离子电池负极材料制备
，尤其涉及一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法及其在锂离子电池中的应用。
技术介绍
随着便携式电子设备和电动汽车的迅速发展，使得各种各样的储能装置应运而生。其中在过去的几十年里，锂离子二次电池在便携式电子设备和电动汽车、混合动力汽车等高能领域得到了广泛的应用。然而，传统的锂离子电池系统对于电动汽车或大型储能系统等先进技术来说其容量是有限的。并且，安全问题和有限的锂资源似乎是其大规模应用的致命弱点。为了促进工业的快速发展，迫切需要发展高功率、高能量密度的可充电电极材料。目前，商用锂离子电池使用石墨作为负极材料，然而，它存在着理论容量低(～370mAh/g)和速率性能相对较差等明显缺点。为了获得更高的能量密度和更长的循环寿命，世界范围内的研究人员正在进行材料研发创新，除了低容量的碳质材料外，还在大力开发新型的高容量材料。近年来，各种金属和金属氧化物，如锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物和锡氧化物等，由于其理论比容量高(500-1000mAh/g)，受到了广泛的关注。然而，由于充放电过程中的体积变化和不可逆的容量损失，限制了它们的商业应用。一些文献报道已充分证明，这些问题可以通过各种方法得到适当的缓解，如采用加入适当的基体元素、限制循环与锂的电压范围、以及将粒子尺寸减小到纳米级等方法，有助于抑制容量衰减，缓冲重复插入锂离子引起的大体积变化所产生的应变，并减少容量损失。作为一种很有前途的锂离子电池负极材料，多组分过渡金属氧化物由于具有高容量和长循环性等特点而受到了广泛的关注。其中，研究比较多的一种电极材料是ZnCo2O4，结构上来说是尖晶石Co3O4四面体位置上的钴阳离子，被便宜和生态友好的替代金属原子(如锌、铜、锰和镍)部分取代而成，由于具有良好的可逆性、循环稳定性、环境友好性和低成本等优点而备受关注。ZnCo2O4具有钴基氧化物较好的阳极性能和Zn较低的成本/毒性，具有较高的理论比容量，这是因为Zn-O和Co-O可以通过转化反应吸附锂离子，而且Zn和Li在电化学反应中可以形成合金，在循环过程中，通过Zn与锂离子发生合金化和脱合金化反应，从而提高ZnCo2O4阳极的倍率性能进一步扩充电池容量。然而将ZnCo2O4用于锂离子电池负极材料，同样也存在充放电过程中的体积变化大、实际比容量相对较小、循环性能相对较差、电导率低等问题。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法及其在锂离子电池中的应用，本专利技术采用水热反应结合高温煅烧制备出性能优异的多孔ZnCo2O4纳米棒，工艺简单，可实现工业化大规模制备的目标。本专利技术提出的一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，包括以下步骤：S1、合成ZnCo-乙二醇前驱体：将Zn(CH3COO)2·2H2O和Co(CH3COO)2·4H2O加入乙二醇中，超声溶解，再加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，转移至水热反应釜，加热、保温反应；S2、制备多孔ZnCo2O4纳米棒：将S1的反应体系离心，收集沉淀，经洗涤、干燥后，高温煅烧，冷却，即得多孔钴酸锌纳米棒。优选地，S1中，Zn2+；Co2+的摩尔比为1：2。优选地，S1中，每1L乙二醇中聚乙烯吡咯烷酮的添加量为2.5-3.75g；优选地，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为24000-58000。优选地，S1中，加热至160-180℃，保温反应3-5h。优选地，S2中，离心转速为8000-11000r/min，离心时间为5-10min。优选地，S2中，采用乙醇和水分别洗涤。优选地，S2中，是在空气或氧气气氛中高温煅烧。优选地，S2中，采用马弗炉进行高温煅烧，马弗炉的加热速率为2-5℃/min，煅烧温度为400-500℃，煅烧时间为4-6h。本专利技术还提出了一种采用上述方法制备得到的多孔钴酸锌纳米棒。本专利技术还提出了一种采用上述方法制备得到的多孔钴酸锌纳米棒在锂离子电池中的应用，是将多孔钴酸锌纳米棒用于锂离子电池负极材料。有益效果：本专利技术以廉价的化工原材料，采用简单的水热合成并结合高温煅烧，先水热生成无定型ZnCo-乙二醇前驱体，再通过空气中煅烧结晶，生成多孔ZnCo2O4纳米棒结构。通过构建这样的纳米多孔结构，能够有效地缓冲充放电过程中释放的机械应力，抑制电池循环过程中材料体积的变化，同时还可以有效增加快速电子传输的通道，降低内阻提高离子和电子传输速率；且其具有的高比表面积和多孔结构可以保证活性物质与电解质之间有足够的界面接触，缩短离子转移的路径长度，克服了氧化物材料自身的低电导率缺点，缓解了纳米材料在高电流密度下的体积变化和诱导应变，有效地避免了材料容量的快速衰减。经检测表明，制备的ZnCo2O4纳米棒电极具有良好的电化学性能，当用做锂离子电池负极材料时，以0.2C的电流速率进行充放电，比容量高达989mAh/g，而当倍率增加到1C和10C时，比容量达到858和410mAh/g。本专利技术在制备过程中使用的合成原料成本低，使用的流程均为工业上成熟的工艺，可实现大规模生产的要求，制备得到的ZnCo2O4纳米棒作为锂离子负极材料，性能效果好，可以在大倍率条件下进行充放电，具有广阔的工业应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1制备方法的反应原理示意图；图2为本专利技术实施例1制备的ZnCo-乙二醇前驱体的SEM图；图3为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒的形貌表征图；其中，(A)为SEM图；(B)为TEM图，标尺1μm；(C)为TEM图，标尺100nm；(D)为TEM图，标尺5nm；图4为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒的XRD谱图；图5为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒的比表面积和孔隙分布图；图6为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒用于锂离子电池负极材料时的循环伏安曲线图；图7为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒用于锂离子电池负极材料时，以0.2C的倍率循环时的比容量变化曲线；图8为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒用于锂离子电池负极材料时，以0.2C的倍率充放电时的电压平台曲线；图9为本专利技术实施例1制备的ZnCo2O4纳米棒用于锂离子电池负极材料时，在不同倍率条件下的比容量曲线图。具体实施方式下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1如图1所示，多孔ZnCo2O4纳米棒的制备如下：将1mmol的Zn(CH3COO)2·2H2O，和2mmol的Co(CH3COO)2·4H2O加入80mL乙二醇中超声10min达到完全溶解，再加入0.2克聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均分子量约为58000)，搅拌30min后，转入一个体积为100mL的水热釜中，加热至180℃后，保温3小时。通过离心机10000rpm，经过5分钟的离心，收集釜底部蓝紫色沉淀，使用去离子水和无水乙醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、合成ZnCo-乙二醇前驱体：将Zn(CH

【技术特征摘要】
1.一种多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、合成ZnCo-乙二醇前驱体：将Zn(CH3COO)2·2H2O和Co(CH3COO)2·4H2O加入乙二醇中，超声溶解，再加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，转移至水热反应釜，加热、保温反应；
S2、制备多孔ZnCo2O4纳米棒：将S1的反应体系离心，收集沉淀，经洗涤、干燥后，高温煅烧，冷却，即得多孔钴酸锌纳米棒。


2.根据权利要求1所述的多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，其特征在于，S1中，Zn2+；Co2+的摩尔比为1：2。


3.根据权利要求1或2所述的多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，其特征在于，S1中，每1L乙二醇中聚乙烯吡咯烷酮的添加量为2.5-3.75g；优选地，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为24000-58000。


4.根据权利要求1-3任一项所述的多孔钴酸锌纳米棒的制备方法，其特征在于，S1中，加热至160-180℃，保温反应3-5h。...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱青，陈晓露，靳顺茹，汤乐，李磊磊，杨丽，
申请(专利权)人：苏州机数芯微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32