一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料及其制备方法和应用，将2

【技术实现步骤摘要】
一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体涉及一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]环境污染以及化石能源枯竭是我们当下面临的严峻问题，生态环境的脆弱使得二次能源的研发日益迫切，发展高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。
[0003]诸如地壳中稀缺的锂源和LIB阴极中使用的昂贵的有毒金属元素之类的缺陷，限制了安全和廉价锂离子电池的进一步发展。作为替代方案，世界各地的科学家已将注意力转向使用其他金属元素的其他能量存储系统在所有非锂基电池系统中，由于铝的丰度和安全性，可再充电的铝离子电池(RAIB)被认为是有前途的候选者，高重量容量(2980mAh g-1
的理论容量)，环境友好性，铝被认为是极好的选择。
[0004]正极材料的电化学性能在很大程度上决定了所提出的RAIB的性能。因此，找到合适的具有良好相容性的正极材料或设计有效的正极微结构是RAIB在后锂时代发展的关键挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料，用甲醇做溶剂可以得到均匀钴离子与2-甲基咪唑配位的十二面体有机金属骨架ZIF-67，多孔有序的结构有利于在煅烧后得到四氧化三钴的十二面体骨架。将其包裹于微胶囊中并在氮气保护下煅烧得到碳微球包覆的四氧化三钴。合理的导电微胶囊碳壳结构有利于将材料封装在封闭导电的环境中，可以通过提高导电性和离子电导率来提高性能。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料的制备方法，利用价格低廉的原料制备ZIF-67，再进行煅烧得到四氧化三钴，液体驱动同轴流聚焦(LDCFF)技术制备微胶囊，再进行碳化得到多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料。
[0007]本专利技术最后一个目的在于提供一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料的应用，用于制作铝离子电池正极。
[0008]本专利技术具体技术方案如下：
[0009]一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)将2-甲基咪唑和钴源分别溶解在甲醇中，混合搅拌得到ZIF-67；
[0011]2)将ZIF-67材料在煅烧后得到四氧化三钴；
[0012]3)将煅烧后的材料分散在聚乙烯醇溶液中得到内相液体A；
[0013]4)将2-羟基-2-甲基苯丙酮与三甲醇丙烷乙氧酯三丙烯酸酯分散于无水乙醇中，混合均匀，然后加热挥发除去无水乙醇，得到混合溶液B；
[0014]5)将内相液体A、混合溶液B、聚乙烯醇水溶液分别作为内相、外相、驱动相，利用液体驱动同轴流聚焦技术，内相和外相在驱动相的剪切作用下得到微胶囊，洗涤烘干；
[0015]6)步骤5)所得到的微胶囊在管式炉中进行碳化，得到多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料。
[0016]步骤1)中所述钴源选自六水合硝酸钴；所述2-甲基咪唑和钴源质量比为10-100：10-30。所述2-甲基咪唑在甲醇中的浓度0.02-0.06g/mL；
[0017]步骤1)中，将2-甲基咪唑和钴源分别溶解在甲醇中，先搅拌5-30分钟再混合，所述混合搅拌的时间为5-30分钟。
[0018]步骤2)中，在马弗炉中煅烧，所述煅烧温度为300-500℃，煅烧时间1-2h。
[0019]步骤3)中聚乙烯醇溶液是指聚乙烯醇溶解在水中所获得的溶液，浓度为1-3wt％；煅烧后的材料和聚乙烯醇溶液的用量0.08-0.15:1g/ml。
[0020]步骤4)中，2-羟基-2-甲基苯丙酮、三甲醇丙烷乙氧酯三丙烯酸酯、无水乙醇的体积之比为(0.1-1)：(2-20)：(2-20)，优选为(0.2-0.4)：20：20。2-羟基-2-甲基苯丙酮用于引发三甲醇丙烷乙氧酯三丙烯酸酯固化，无水乙醇起到助溶作用。
[0021]步骤4)中，所述加热是指在鼓风干燥箱中进行，在60-80℃的鼓风干燥箱中过夜即可使无水乙醇挥发完全。
[0022]步骤5)中，所述内相液体A、混合溶液B、聚乙烯醇水溶液的体积之比为1：1：(100-200)。
[0023]步骤5)中，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为0.01-0.1g/mL，优选为0.02-0.04g/mL。
[0024]步骤5)中，内相泵的流速为1-10mL/h，外相泵的流速为1-10mL/h，最外层驱动相泵的流速为500-1000mL/h，这样的流速下可形成粒径在20-80μm的微胶囊。步骤5)在常温条件下进行。
[0025]步骤5)中所述洗涤烘干是指收集产物，并反复以去离子水洗涤，过滤后，置于60℃烘箱中过夜烘干。
[0026]步骤6)中碳化温度为300-700℃，时间为1-3h。
[0027]本专利技术提供的一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料，采用上述方法制备得到，尺寸在20-80微米。
[0028]本专利技术提供的一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料的应用，用于制作铝离子电池，利用多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料制作铝离子电池正极材料，进而得到铝离子电池正极，用于制作铝离子电池，具有良好的循环性能。
[0029]为了探究铝离子电池的正极材料同时改善铝离子电池的电化学性能，本专利技术公开设计了一种四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料。合理的设计导电微胶囊结构，有利于有效的封装正极材料，通过提高导电性和离子电导率来提高性能。微胶囊外壳的良好导电性以及封装性能有利于减少活性材料的损失。从而提高电池的电化学性能。
[0030]本专利技术首先将2-甲基咪唑和六水合硝酸钴分别溶解在甲醇中，搅拌后，混合继续搅拌得到ZIF-67。将得到的ZIF-67材料在马弗炉中煅烧后得到四氧化三钴。将煅烧后的材料分散在聚乙烯醇溶液中得到内相液体A。然后将2-羟基-2-甲基苯丙酮与三甲醇丙烷乙氧酯三丙烯酸酯分散于无水乙醇中，混合均匀，然后加热挥发除去无水乙醇，得到混合溶液B；再将内相液体A、混合溶液B、聚乙烯醇水溶液分别作为内相、外相、驱动相，利用液体驱动同
轴流聚焦(LDCFF)技术，在内相和外相在驱动相的剪切作用下得到微胶囊，洗涤烘干。最后将所得到的微胶囊在管式炉中进行碳化，得到四氧化三钴/碳化微胶囊。
[0031]ZIF-67作为一种前驱体能够在煅烧后得到多孔的十二面体四氧化三钴，这种多孔结构可以有效的提高离子穿梭效率，将其封装在微胶囊中并碳化，得到包裹四氧化三钴的碳微球，具有良好的导电性.
[0032]与现有技术相比，液体驱动同轴流聚焦(LDCFF)技术制备的微胶囊可以有效的控制尺寸，碳化后形成一个完整封装的且多孔碳壳，碳壳本身具有非常好的导电性。碳化后的微胶囊外壳导电性好，比表面面积较大。这种微胶囊结构有利于电子传输和提高离子电导率。
附图说明
[0033]图1为实施例3步骤1)中合成ZIF-67的SEM图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将2-甲基咪唑和钴源分别溶解在甲醇中，混合搅拌得到ZIF-67；2)将ZIF-67材料在煅烧后得到四氧化三钴；3)将煅烧后的材料分散在聚乙烯醇溶液中得到内相液体A；4)将2-羟基-2-甲基苯丙酮与三甲醇丙烷乙氧酯三丙烯酸酯分散于无水乙醇中，混合均匀，然后加热挥发除去无水乙醇，得到混合溶液B；5)将内相液体A、混合溶液B、聚乙烯醇水溶液分别作为内相、外相、驱动相，利用液体驱动同轴流聚焦技术，内相和外相在驱动相的剪切作用下得到微胶囊，洗涤烘干；6)步骤5)所得到的微胶囊在管式炉中进行碳化，得到多孔四氧化三钴/碳化微胶囊复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中2-甲基咪唑和钴源质量比为10-100：10-30。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述煅烧温度为300-500℃，煅烧时间1-2h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩阗俐，钟艳，杨珊珊，刘金云，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：