CN108448071B - 一种原位合成多孔纳米四氧化三钴/碳负极材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位合成多孔纳米四氧化三钴/碳负极材料的方法，属于电化学领域。具体步骤为：采用溶剂热合成一种棒状多孔钴基金属有机框架；经洗涤、浸泡，真空干燥后得到前驱体，将此前驱体后放入惰性/氧混合气氛的管式炉中于高温碳化分解，得到具有多级多孔纳微米棒状结构Co3O4/C负极材料；本发明以具有周期性网络晶体结构的多孔、大比表面积钴基金属有机框架为自模板式前驱体，采用原位热分解的方法获取多级多孔纳微米棒状结构Co3O4/C锂离子电池负极材料，不仅过程简单，而且所得产物电导率高、比容量高、循环稳定性良好。

Description

一种原位合成多孔纳米四氧化三钴/碳负极材料的方法

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种具有多级多孔纳微米棒结构的四氧化三钴/碳锂离子电池负极材料制备方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，能源问题一直是社会以及政府所关注的话题。无论是发达国家还是发展中国家都意识到在可见的未来，如果没有找到替代化石燃料的能源的出现，因能源问题引起危机和战争必定会发生。自1991年日本索尼公司首次将锂离子电池商业化以来，已有不到三十年时间。期间，锂离子电池技术得到了快速的发展，锂离子电池作为设备电源以及动力能源的优势越来越突出。其相较于铅酸电池能量密度高，无记忆效应，循环寿命长的优点成为新能源界的中坚力量。

MOFs(Metal organic Framework)即金属有机骨架化合物，不同于一般的有机配合物，也不同于无机多孔材料，它是一类具有周期性网络晶体结构的多孔材料。事实上，配位聚合物材料中往往含有金属-氧键和含碳基团，含碳基团环绕在金属-氧键的周围，并且配位单元的高度有序的排列、重复；以其为自模板式前驱体在惰性气体中原位分解，简单一步就能得到具有多级多孔结构的过渡金属氧化物/碳复合材料；此外，在大量的金属氧化物当中，四氧化三钴（Co₃O₄）具有良好的理论容量。

随着锂离子电池正极材料的不断发展，负极材料的储锂性能也需要不断提升。目前商业化较好的负极材料为石墨，导电性能好，有完整的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，其理论比容量为372mAh/g；但是，在正极材料比容量不断提升的情况下，石墨负极材料满足不了实际应用的需求，因此需要开发出新型的负极材料。

发明内容

为了解决目前负极材料的储锂性能不足的问题，本发明以发展新型负极材料为目的，提供一种基于棒状钴基金属有机框架制备多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳（Co₃O₄/C）锂离子负极材料的方法。

本发明首先提供一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料，其特征在于，由四氧化三钴与碳的混合物组成，微观结构为棒状多孔结构，表面孔尺寸为纳米级结构；其制备完成时为黑色粉末状物体，棒状结构直径2~30μm，长度不小于2μm。

本发明还提供一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）前驱体钴基金属有机框架的制备

将5-(4-吡啶基)间苯二甲酸（H₂ndc），六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O），镧系六水合硝酸盐（Ln(NO₃)₃·6H₂O），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和去离子纯水依次称量放入反应釜中；将上述反应釜置入鼓风干燥箱进行干燥，所得产物使用N,N-二甲基甲酰胺浸洗，再使用清洗溶剂超声洗涤干净，得到粉红色棒状晶体并将其置于清洗溶剂浸泡；然后将粉红色棒状晶体置入真空干燥箱进行真空干燥，得到干燥的暗粉红色棒状晶体即为所要制备负极材料的前驱体；

（2）多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳负极材料的制备

将步骤（1）中暗粉红色棒状晶体置入管式炉中在氩氧混合气氛环境下煅烧，取出得到黑色粉末，即为所需制备的多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳负极材料。

优选的，步骤（1）所述5-(4-吡啶基)间苯二甲酸、六水合硝酸钴，镧系六水合硝酸盐的摩尔比为1：4：1。

优选的，步骤（1）所述N,N-二甲基甲酰胺和去离子纯水的体积比为4~8：1~3。

优选的，步骤（1）所述的镧系六水合硝酸盐为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Td、Dy、Tm、Yb或/和Lu的六水合硝酸盐中的一种或多种混合。

优选的，步骤（1）所述干燥的温度设置为：1h内由室温升至100℃，保温72h后，在72h内由100℃均匀降温至室温。

优选的，步骤（1）所述所述的清洗溶剂为甲醇或N,N-二甲基甲酰胺, 浸泡时间为3d。

优选的，步骤（1）所述的真空干燥温度设置如下，由室温30min内升到80~100℃，保温2~10h；再经过30min升到100~130℃并保温10~72h。

优选的，步骤（2）所述的氩氧混合气氛中氩气体积含量为90~95%，氧气体积含量为5~10%。

优选的，步骤（2）所述煅烧温度为400~600℃，时间2~6h，升温速率为2~10℃/min。

本发明中负极材料前驱体的制备采用的是溶剂热法，前驱体须在密闭空间中以及一定的温度下完成结晶过程，并在氩氧混合气氛中，在一定升温速率、一定温度下热分解为Co₃O₄/C负极材料。

本发明的有益效果：

（1）本发明是一种新型基于棒状钴基金属有机框架制备多级多孔纳微米棒结构Co₃O₄/C锂离子负极材料，其前驱体煅烧成负极材料对氧气含量要求不高，步骤简单，易于操作。

（2）本发明的一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料，其高容量特性与良好的循环性能是将来作为负极材料的良好选择，与目前商业化的石墨负极理论容量372mAh/g的电化学性能相比，其比容量更高，达到600mAh/g，将来有望取代石墨负极材料，本发明的方法为商业化生产奠定了理论基础。

附图说明

图1为本发明实施例的1中所得前驱体结构示意图。

图2为本发明实施例的1中所得Co₃O₄/C负极材料样品的X射线衍射分析（XRD）图。

图3中（a）为本发明实施例的1中所得Co₃O₄负极材料样品10μm比例尺扫描电镜（SEM）图;（b）为本发明实施例的1中所得Co₃O₄负极材料样品100μm比例尺扫描电镜（SEM）图。

图4为本发明实施例的1中所得Co₃O₄负极材料样品透射电镜（TEM）图。

图5为本发明实施例的1中所得样品在100 mAh/g电流密度下的前三周充放电曲线。

图6为本发明实施例的1中所得样品在100 mAh/g电流密度下的循环性能曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施案例对本发明进行进一步说明，本发明的保护范围并不局限于此案例。

实施例1：

1． 将0.1mol的H₂ndc，0.4mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，0.1mol的Ce(NO₃)₃·6H₂O以及6mLDMF和2mL H₂O依次称量置入25mL四氟乙烯反应釜内胆中，并装入不锈钢反应釜压实拧紧。将上述反应釜置入鼓风干燥箱中，在室温环境下1h升至100℃，保持此温度72h后，在匀速降温的方式在72h内降至室温。取出反应釜，得到的产物用DMF洗涤1~2遍后放入超声仪内清洗15min取出，滤出粉红色沉淀物，再使用甲醇洗涤三遍后，密封浸泡在甲醇中3d。3d后放入真空干燥箱内干燥，干燥的升温步骤是30min 内由室温升至80℃保温2h，再经过30min升到100℃并保温10h取出后得到粉红色粉末状前驱体。

2．将上述粉红色粉末状前驱体置于坩埚中并将坩埚置于管式炉中通入氩氧混合气（氩气体积含量95%），由室温升至500℃（上升速度为2℃/min），保持500℃在氩氧混合气气氛里煅烧2h。取出后得到黑色粉末状负极活性物质，即为棒状多孔多级结构四氧化三钴/碳锂离子负极材料。

图1为本文中制备的Co₃O₄负极材料前驱体示意图,此前驱体为粉红色棒状晶体。图2为负极材料样品的X射线衍射分析（XRD）图。根据比对，此负极材料与标准卡片42-1467相符，表明此负极材料为Co₃O₄，无杂相及碳的衍射峰，碳以无定形态存在于上述负极材料中。图3、图4为上述负极材料样品扫描电镜（SEM）和透射电镜图（TEM），图中显示上述负极材料为棒状，可以看出由颗粒均一的25nm左右的纳米颗粒堆积而成，颗粒之间有微小细孔且有碳网包裹连接，颗粒表面均匀包覆了大约2.5nm的碳膜；碳网及碳膜的存在会提高材料的导电性，并且对颗粒有保护作用，防止材料溶解，因此这对提高材料的的库伦效率及电化学性能起着非常重要的作用。

棒状多孔金属骨架结构四氧化三钴锂离子负极材料电化学性能试验：

将上述实施例1中得到Co₃O₄负极材料、超导碳黑（superP li）、聚偏氟乙烯粘连剂以75:15:10的比例混合，加入NMP（N-甲基吡咯烷酮）调节粘度至3500~5000 mPa·s以利于涂覆。搅拌均匀后将浆料涂覆于铜箔上，并将其置于真空干燥箱中以110℃干燥10h后取出后，使用冲片机根据需要更换模具，冲出相应大小极片。本实施案例试验中使用的是2032扣式电池进行电池组装，极片直径大小为11mm。组装扣式电池时以金属锂为负极，使用的隔膜是聚丙烯微孔膜（Celgard 2325），电解液则是1mol/L六氟磷酸锂（LiPF₆）非水溶液，所述非水溶液为等体积的碳酸二甲酯和碳酸二丙酯的混合溶剂（DMC:DPC=1:1）,根据扣式电池组装方法组装成电池进行测试。

本试验使用的是蓝电电池测试设备，对上述电池进行恒流充放电性能测试，充电过程限制电压上限为3.0 V（vs.Li/Li⁺）。放电过程截止电压为0.01V（vs.Li/Li⁺）。所述Co₃O₄负极材料所组装而成的扣式电池以100mA/g的电流密度进行充放电测试。所述Co₃O₄负极材料在100mA/g的电流密度下首次放电容量为639/1549（图5）。循环70周后充放电容量仍保持在600mAh/g以上显示出了良好的电化学循环性能（图6）。

实施例2：

1． 将0.1mol的H₂ndc，0.4mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，0.1mol的Ce(NO₃)₃·6H₂O以及4mLDMF和1mL H₂O依次称量置入25mL四氟乙烯反应釜内胆中，并装入不锈钢反应釜压实拧紧。将上述反应釜置入鼓风干燥箱中，在室温环境下1h升至100℃，保持此温度72h后，在匀速降温的方式72h左右降至室温。取出反应釜，得到的产物用DMF洗涤1~2遍后放入超声仪内清洗30min取出，滤出粉红色沉淀物，再使用甲醇洗涤三遍后，密封浸泡在甲醇中3d。3d后放入真空干燥箱内干燥，干燥的升温步骤是30min 内由室温升至100℃保温10h，再经过30min升到130℃并保温72h

2．将上述粉红色粉末状前驱体置于坩埚中并将坩埚置于管式炉中通入氩氧混合气（氩气体积含量95%），由室温升至400℃（上升速度为10℃/min），保持上述温度在氩氧混合气气氛里煅烧4h。取出后得到黑色粉末状负极活性物质，即为棒状多孔多级结构四氧化三钴/碳锂离子负极材料。

实施例3：

1． 将0.1mol的H₂ndc，0.4mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，0.1mol的Ce(NO₃)₃·6H₂O以及8mLDMF和3mL H₂O依次称量置入25mL四氟乙烯反应釜内胆中，并装入不锈钢反应釜压实拧紧。将上述反应釜置入鼓风干燥箱中，在室温环境下1h升至100℃，保持此温度72h后，在匀速降温的方式72h左右降至室温。取出反应釜，得到的产物用DMF洗涤1~2遍后放入超声仪内清洗20min取出，滤出粉红色沉淀物，再使用甲醇洗涤三遍后，密封浸泡在甲醇中3d。3d后放入真空干燥箱内干燥，干燥的升温步骤是30min内由室温升至90℃保温6h，再经过30min升到110℃并保温20h

2．将上述粉红色粉末状前驱体置于坩埚中并将坩埚置于管式炉中通入氩氧混合气（氩气体积含量90），由室温升至600℃（上升速度为6℃/min），保持上述温度在氩氧混合气气氛里煅烧6h。取出后得到黑色粉末状负极活性物质，即为棒状多孔多级结构四氧化三钴/碳锂离子负极材料。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料的应用，其特征在于，所述四氧化三钴/碳负极材料用于制备扣式电池，步骤为：将四氧化三钴/碳负极材料、超导碳黑、聚偏氟乙烯粘连剂以75:15:10的比例混合，加入N-甲基吡咯烷酮调节粘度至3500~5000 mPa·s以利于涂覆；搅拌均匀后将浆料涂覆于铜箔上，并将其置于真空干燥箱中以110℃干燥10h后取出后，使用冲片机根据需要更换模具，冲出相应大小极片；使用2032扣式电池进行电池组装，极片直径大小为11mm；组装扣式电池时以金属锂为负极，使用的隔膜是聚丙烯微孔膜，电解液则是1mol/L六氟磷酸锂非水溶液，非水溶液为等体积的碳酸二甲酯和碳酸二丙酯的混合溶剂，根据扣式电池组装方法组装成电池；

所述四氧化三钴/碳负极材料的制备步骤如下：

将0.1mol的5-(4-吡啶基)间苯二甲酸、0.4mol的Co(NO₃)₂·6H₂O、0.1mol的Ce(NO₃)₃·6H₂O以及6mL DMF和2mL H₂O依次称量置入25mL四氟乙烯反应釜内胆中，并装入不锈钢反应釜压实拧紧；将上述反应釜置入鼓风干燥箱中，在室温环境下1h升至100℃，保持此温度72h后，在匀速降温的方式在72h内降至室温；取出反应釜，得到的产物用DMF洗涤1~2遍后放入超声仪内清洗15min取出，滤出粉红色沉淀物，再使用甲醇洗涤三遍后，密封浸泡在甲醇中3d；3d后放入真空干燥箱内干燥，干燥的升温步骤是30min 内由室温升至80℃保温2h，再经过30min升到100℃并保温10h取出后得到粉红色粉末状前驱体；将得到的粉红色粉末状前驱体置于坩埚中并将坩埚置于管式炉中通入氩氧混合气，氩气体积含量95%，由室温升至500℃，上升速度为2℃/min，保持500℃在氩氧混合气气氛里煅烧2h；取出后得到黑色粉末状负极活性物质，即为棒状多孔多级结构原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料；

所述负极材料为棒状，颗粒均一的25nm的纳米颗粒堆积而成，颗粒之间有微小细孔且有碳网包裹连接，颗粒表面均匀包覆了2.5nm的碳膜；碳网及碳膜的存在提高材料的导电性，并且对颗粒有保护作用，防止材料溶解。

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