一种碳包覆四氧化三钴负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆四氧化三钴负极材料及其制备方法和应用，该制备方法将硝酸钴溶液与天门冬氨酸的碱溶液混合，获得混合溶液；将所述混合溶液于120

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆四氧化三钴负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种碳包覆四氧化三钴负极材料的制备方法，进一步涉及由该制备方法制得的碳包覆四氧化三钴负极材料，还涉及碳包覆四氧化三钴负极材料在制备锂离子电池负极片和锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。其四大关键材料分别为正极材料、负极材料、隔膜和电解液。目前比较常有的负极材料主要有碳材料如石墨等、硅材料等，随着技术的发展，发现四氧化三钴的储锂性能比较高(约为890mAh/g)，并且具有容易制备的优点，因此，有望替代传统的碳、硅负极材料。
[0003]四氧化三钴Co3O4是一种重要的过渡族金属氧化物，其能够形成纳米颗粒、纳米球、纳米管、纳米线等多种纳米结构，其不同的微观结构对其理论容量值具有一定的影响。传统采用钴盐与氢氧化物制备氢氧化钴颗粒，然后煅烧使氢氧化钴颗粒与空气中的氧气反应制得球形四氧化三钴。由于煅烧阶段，表面物料和内部物料与空气的接触程度会有不同，因而会出现氧化不均匀的现象，表面物料容易形成四氧化三钴，而内部物料容易出现氧化不完全的情况，甚至会出现部分氢氧化钴颗粒煅烧不完全，最终制备的球形四氧化三钴的纯度较低，同时比容量较低(约150mAh/g)。
[0004]而纳米线作为特殊的一维纳米结构，由于具有较高的比表面积，不易发生团聚，从而能够很好的发挥四氧化三钴的容量，但四氧化三钴作为负极材料主要的缺点是导电性较差，而且在充放电过程中容易发生体积变化，使其结构容易坍塌而从集流体上脱落，因此，使得其在能源器件中的应用受到了限制。一般主要采用的手段是对四氧化三钴进行碳包覆，从而抑制四氧化三钴负极材料的体积变化，常规的碳包覆常采用葡萄糖等作为碳源，但这通常需要煅烧处理，且获得的负极材料的纯度不高、一致性欠佳。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术有必要提供一种碳包覆四氧化三钴负极材料的制备方法，制备获得了一种碳包覆四氧化三钴纳米线结构的负极材料，能耗低，产品纯度高，一致性和稳定性好，具有比容量高且循环稳定性好。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种碳包覆四氧化三钴负极材料的制备方法，包括下列步骤：
[0008]提供天门冬氨酸的碱溶液以及硝酸钴溶液；
[0009]将所述硝酸钴溶液与所述天门冬氨酸的碱溶液混合，获得混合溶液；
[0010]将所述混合溶液于120
‑
180℃高温反应3
‑
10h，获得中间产物；
[0011]将所述中间产物和盐酸多巴胺的水溶液混合，搅拌10
‑
15h后，离心干燥，获得干燥物；
[0012]将所述干燥物在绝氧条件下高温碳化，制得Co3O4/C纳米线负极材料。
[0013]进一步方案，所述天门冬氨酸的碱溶液是由天门冬氨酸溶解于pH为11
‑
13的碱液中获得的，所述碱液选自氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，其中，天门冬氨酸和碱液的质量体积比为0.30
‑
0.80g：3.0
‑
6.0mL。
[0014]进一步方案，所述硝酸钴溶液是由Co(NO3)2·
6H2O溶解于去离子水中获得的，其浓度在0.5
‑
2mol/L之间。
[0015]进一步方案，Co(NO3)2·
6H2O、天门冬氨酸和盐酸多巴胺的质量体积比为0.8
‑
1.2g：0.3
‑
0.8g：3.0
‑
6.0mL。
[0016]进一步方案，所述干燥的温度为50
‑
80℃。
[0017]进一步方案，所述绝氧条件是通过向体系中通入惰性气体或氮气实现的。
[0018]进一步方案，所述高温碳化的温度为500
‑
700℃，时间为2
‑
6h，升温速率为2
‑
5℃/min。
[0019]本专利技术还提供了一种碳包覆四氧化三钴负极材料，其采用如前述任一项所述的制备方法制得。
[0020]本专利技术进一步提供了一种锂离子电池负极片，包含有如前所述的碳包覆四氧化三钴负极材料。
[0021]本专利技术进一步提供了一种锂离子电池，包含有如前所述的锂离子电池负极片。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术采用天门冬氨酸和硝酸钴通过高温反应制得天门冬氨酸钴盐，然后利用盐酸多巴胺的螯合作用脱除天门冬氨酸中的氨基，高温碳化，制得碳包覆四氧化三钴纳米线，方法简单，能耗低，产品纯度高，一致性好；利用盐酸多巴胺具有螯合作用，在高温下可进行碳化的功能，在四氧化三钴的表面形成碳包覆，得到Co3O4/C纳米线，所得产物纯净，且首圈放电容量可达到1500mAh/g以上。
[0024]采用本专利技术制备方法获得的Co3O4/C纳米线作为负极活性物质，制备得到的镍钴锰酸锂离子电池能量密度可达350wh/kg以上，具有优异的性能。
附图说明
[0025]图1为实施例1制得的碳包覆四氧化三钴负极材料的SEM图；
[0026]图2为实施例1
‑
5中碳包覆四氧化三钴负极材料制得的锂离子电池的循环曲线。
具体实施方式
[0027]为了便于理解本专利技术，下面将结合具体的实施例对本专利技术进行更全面的描述。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术的公开内容理解的更加透彻全面。
[0028]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。
[0029]本专利技术第一方面提供了一种碳包覆四氧化三钴负极材料的制备方法，包括下列步骤：
[0030]提供天门冬氨酸的碱溶液以及硝酸钴溶液；
[0031]将所述硝酸钴溶液与所述天门冬氨酸的碱溶液混合，获得混合溶液；
[0032]将所述混合溶液于120
‑
180℃高温反应3
‑
10h，获得中间产物；
[0033]将所述中间产物和盐酸多巴胺的水溶液混合，搅拌10
‑
15h后，离心干燥，获得干燥物；
[0034]将所述干燥物在绝氧条件下高温碳化，制得Co3O4/C纳米线负极材料。
[0035]本专利技术中以硝酸钴和天门冬氨酸作为原料，分别获得天门冬氨酸的碱溶液和硝酸钴溶液，将两者混合均匀，获得组成为天门冬氨酸
‑
钴金属有机骨架化合物的混合溶液，并进一步进行高温反应后，干燥洗涤，获得中间产物天门冬氨酸钴盐，具体的说，将混合溶液装入反应釜中，置于高温烘箱内，于120<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆四氧化三钴负极材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：提供天门冬氨酸的碱溶液以及硝酸钴溶液；将所述硝酸钴溶液与所述天门冬氨酸的碱溶液混合，获得混合溶液；将所述混合溶液于120
‑
180℃高温反应3
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10h，获得中间产物；将所述中间产物和盐酸多巴胺的水溶液混合，搅拌10
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15h后，离心干燥，获得干燥物；将所述干燥物在绝氧条件下高温碳化，制得Co3O4/C纳米线负极材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述天门冬氨酸的碱溶液是由天门冬氨酸溶解于pH为11
‑
13的碱液中获得的，所述碱液选自氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，其中，天门冬氨酸和碱液的质量体积比为0.30
‑
0.80g：3.0
‑
6.0mL。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸钴溶液是由Co(NO3)2·
6H2O溶解于去离子水中获得的，其浓度在0.5
‑
2mol/L之...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小兰，饶际惠，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：