[发明专利]一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及的是一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源、信息和材料是现代社会发展的三大支柱，近年来随着社会经济的不断发展，能源短缺已经成为制约经济发展的主要因素，而同时引发的环境污染问题也越来越受到重视。为了推动可持续发展，必须大力发展各类新的绿色能源。而锂离子电池作为上世纪末发展起来的一种高效安全、无污染的新型绿色能源受到了人们的广泛关注。与传统的铅酸电池、镍氢（镉）电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、比能量高、自放电小、无污染、无记忆效应等优点，从而成为人们研究的热点并且已经被广泛的应用到移动电话、笔记本电脑、移动电子终端、航空航天、军事等各个领域。

商业上广泛应用的锂离子电池正极常用钴酸锂，负极常用石墨。作为负极材料，石墨的理论容量为372mAh/g，而实际容量已经达到了360mAh/g；正极材料钴酸锂的理论的比容量为274mAh/g，由于实际上在充电时正极的脱锂量超过0.5时，LiCoO₂晶胞会发生由三方晶系向单斜晶系的不可逆转化，从而使锂离子的可逆脱嵌受到影响，严重影响其循环性能，所以实际比容量只有140mAh/g左右。对于负极材料石墨其容量已经接近理论容量，而正极材料钴酸锂的容量只有理论容量的一半。我们注意到，锂离子电池的比容量低主要受限于正极材料比容量和负极材料比容量的严重不匹配问题。在负极材料石墨比容量已经达到较高的情况下，为了进一步提高锂离子电池的实际比容量，提高正极材料的比容量是关键。而已经成熟的正极材料钴酸锂的比容量受限于其晶体结构在脱锂量超过0.5时LiCoO₂晶胞的不可逆转化，比容量的进一步提升将会严重影响其循环性能。因此开发一种新型的可以取代钴酸锂的正极材料显得尤为重要。

与多孔材料相比，碳纳米管不仅同样具有比表面积大的优点，而且不像多孔碳材料那样，很多表面无法参加反应，因此，碳纳米管在锂离子电池中有着广泛的应用空间。氮掺杂作为一种调节碳材料结构及性能的有效手段，可以使碳纳米管表面活性增强，有利于与金属氧化物的复合，并且提高导电性。目前关于无机物质包覆碳纳米管的国内外报道的主要方法是溶胶凝胶法、化学沉淀法、水热或溶剂热法等。如，利用溶胶凝胶法将氧化铝包覆到碳纳米管上的报道，但这种方法能包覆的材料范围有限，而且反应时间较长。三氧化钼作为锂离子电池正极材料的研究也有报道，然而，用电化学沉积法制备三氧化钼原位复合在掺氮碳纳米管上作为一种复合正极材料应用于锂离子电池中的研究尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料及其制备方法和应用。

本发明的锂离子电池复合正极材料是在掺氮碳纳米管上原位复合活性材料三氧化钼。“原位复合”具体指的是在掺氮碳纳米管表面原位反应生成三氧化钼。“原位复合”使得掺氮碳纳米管、三氧化钼和基底泡沫镍三者共同形成的复合材料能在宏观上保持多孔结构，而在纳米尺度保持三维结构，并且将这种一体化设计的复合电极用于锂离子电池正极。

本发明的技术方案如下：

一种三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料的制备方法，其步骤如下：

（1）泡沫镍预处理

将泡沫镍置于丙酮中超声，用蒸馏水洗涤，然后再用乙醇超声，用蒸馏水洗涤；

（2）用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长掺氮碳纳米管

称取二茂铁（分析纯）100mg和三聚氰胺（分析纯）1g，将其混合后在研钵中充分研磨至混合均匀；将（1）中处理后的泡沫镍置于载物台，放入反应仓恒温区，升温过程通Ar作为保护气，Ar流量为80cm³/min，乙烯作为碳源，达到设定温度850℃后，将二茂铁和三聚氰胺的混合物缓缓加入反应仓，得到泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构；

（3）用电沉积法将三氧化钼原位复合于掺氮碳纳米管上

将4ml体积分数为30%的过氧化氢溶液缓缓加入1g钼粉中，在室温下发生放热反应，待放热反应完成后，加入50ml去离子水稀释，然后静置12小时，将其作为电镀液；以（2）中制得的泡沫镍和掺氮碳纳米管的复合结构作为工作电极，Pt作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，在电镀液中进行恒压电沉积；

（4）退火

将（3）中沉积反应得到的钼的化合物和掺氮碳纳米管的复合材料在管式炉中退火，得到三氧化钼原位包覆掺氮碳纳米管复合电极材料。