[发明专利]一种可用于锂离子电池负极材料的纳米四氧化三钴的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于锂离子电池负极材料的纳米四氧化三钴的制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

锂离子电池因其具有优良的特性而成为目前综合性能较好的电池体系，已经成为当今和未来重要的新能源之一。随着其应用领域从民用的信息产业(移动电话、笔记本电脑等高能便携式电子设备)向能源交通(电动汽车等)的进一步扩展，再到国防军事领域军事装备不可缺少的重要能源，对锂离子电池的容量以及快速充放电能力都提出了更高的要求。负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。对锂离子电池负极材料的研究主要集中在碳材料、氧化物材料及合金材料。目前，商业化碳负极材料存在的主要问题是：实际比容量低(约为300～330mAh/g，理论比容量为372mAh/g)、首次不可逆损失大、倍率放电性能差等，并且嵌锂电位低，在充放电过程中石墨表面可能引起金属锂的沉积，存在一定的安全隐患。因此，积极探索比容量高、容量衰减率小、安全性能好的新型锂离子电池负极材料体系，已为国际上研究的热点。在可用的负极材料中，氧化物材料占了很大一部分，是较有前景的负极材料。

人们早期对过渡金属氧化物作为储锂负极材料进行了研究，如MoO₂、WO₂、TiO₂和Fe₂O₃等。但因第1周循环后存在一定量的不可逆容量损失，使得对它们的研究曾陷入低谷。2000年，Poizot等在《自然》杂志上对纳米尺度的过渡金属氧化物MO(M＝Co、Fe、Ni或Cu)作为锂离子电池负极材料进行了报道。发现纳米尺度的该类氧化物其电化学性能明显不同于常规材料，可逆容量在600mAh/g到800mAh/g之间，而且具有高的容量保持率。表明纳米金属氧化物在提高负极材料的储锂容量，改善锂电池的循环寿命方面，表现出了一定的优势。

降低原材料及制备方法的成本，也是锂离子电池氧化物负极材料实现市场化的要求。

中国专利CN 1837066A公开了一种水溶性四氧化三钴纳米晶体的控温控压微波合成方法，该方法以水为溶剂，将钴盐溶于水，加入水溶性的巯基化合物作为稳定剂，控制钴离子与水溶性的巯基化合物的摩尔比为1∶10至1∶1，调节溶液pH值至5～12，得到前体溶液。然后将此前体溶液置于密闭的聚四氟乙烯罐中，在可控温和可控压的微波反应器中反应，迅速合成四氧化三钴纳米晶体。本方法合成的四氧化三钴纳米晶体具有水溶性好，成本低，结晶度高等特点，但对所得纳米氧化钴的理化性能未有涉及，特别是应用于锂离子电池负极材料的电化学性能如何不得而知。

发明内容

本发明的目的是克服锂离子电池负极材料比容量低、循环特性差的缺点，提供一种可用于锂离子电池负极材料的纳米四氧化三钴的制备方法，本发明制备的纳米四氧化三钴用于锂离子电池负极材料时，有优异的循环特性，良好的稳定性。该制备方法具有工艺简单、成本低、无污染的特点。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

本发明的一种可用于锂离子电池负极材料的纳米四氧化三钴的制备方法，采用以下步骤：

(1)将分析纯的二价钴硝酸盐溶于蒸馏水中，然后加入尿素并搅拌，配成反应溶液，二价钴离子的浓度为0.1～0.2mol/L，尿素与二价钴离子的摩尔比率为6～10∶1；

(2)将上述反应溶液倒入可密闭的反应容器中，置于微波场中进行微波辐照，微波频率为2.45GHz，反应溶液温度为100～120℃，保温时间为1～3小时，反应结束后对生成的前驱物进行分离、洗涤和干燥；

(3)将干燥后的前驱物在空气中进行煅烧处理，煅烧温度为300～400℃，保温时间为1～3小时，煅烧产物即为纳米四氧化三钴。

所述的纳米四氧化三钴具有一维链状的多孔纳米结构，多孔链的直径为60～100nm，具有介孔特征，孔径为10～20nm。所述的纳米四氧化三钴用于锂离子电池负极材料时，在50mA/g～400mA/g充放电速率测试条件下，经过50个循环，其比容量保持在900～1300mA·h/g。