[发明专利]一种棒状碳酸钴铁复合材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种棒状碳酸钴铁复合材料及其应用，属于纳米材料技术领域和锂离子电池电极材料技术领域。

背景技术

碳酸亚铁和碳酸钴是重要的工业盐，在生产和生活中均有广泛的应用，其制备一直以来都备受关注。碳酸亚铁是炼钢及制备别的铁盐或铁氧化物的重要原料，在补血类药物中也有广泛应用。碳酸钴是生产其他钴化合物的重要原料，另外在陶瓷工业中用作着色剂，在有机工业中用于制造催化剂、伪装涂料等。

随着人类科技的发展，使用绿色能源取代化石燃料被认为是解决环境及能源危机的重要措施之一。如果能在汽车行业成功使用电动机取代内燃机，化石燃料的消耗量会得到极大的减少。锂离子电池因为具备较高的能量密度和出色的循环性能，其在电子通讯设备如笔记本电脑、手机等领域有着广泛的应用。但是受电极材料性能的制约，锂离子电池还不能应用在大型设备如电动汽车等领域。对于锂离子电池负极材料而言，商用负极材料石墨的理论容量只有372mAh/g，严重制约了电池性能的提升。人们开展了大量新型高比容量负极材料的研究（Adv.Mater.2011,23,1695），其中基于可逆转化反应机理的过渡金属氧化物等材料引起越来越多科研工作者的关注（Energy Environ.Sci.,2011,4,2682）。近几年，制备过程较简单且无毒害、储锂性能出众的过渡金属碳酸盐及其复合材料正引起更多科研工作者的关注，被认作是有希望的新型锂离子电池负极材料：沈强课题组（J.Power Sources,2014,253,251）和周震课题组（ACS Appl.Mater,Interfaces,2013,5,11212）分别制备了碳酸亚铁并表征了其储锂性能，其可逆容量能高达～700mAh/g至～1000mAh/g；周震课题组（Nano Energy,2013,2,276）和张建新课题组（J.Mater.Chem.A,2013,1,11200）分别研究了碳酸钴的制备和储锂性能，其可逆容量能达到～800mAh/g至～1200mAh/g。综上，碳酸钴和碳酸亚铁用作锂离子电池负极材料均展现出了出色的储锂性能，但是受合成工艺的限制，关于碳酸钴铁复合材料的制备和储锂性能研究还没有任何报道。

近年来材料研究结果表明，材料的微观组成及结构对其物化性能（例如磁性、光学、电学、导热、导电等性能）有明显的影响。其中，多元复合材料往往能产生奇特的协同效应，展现出比单一组成物质更为出色的性能。另外，新能源材料的开发关系到人类的生存和发展。碳酸钴铁复合材料的分子式为Fe_xCo_1-xCO₃，其中0＜x＜1，它是碳酸亚铁和碳酸钴的固溶体复合盐，是一种较少见的物质，到目前为止尚没有文献或专利对其进行过报道。固溶体复合盐指的是矿物一定结晶构造位置上离子的相互置换，而不改变整个晶体的结构及对称性的材料。要成功地合成固溶体材料，实现两种或多种物质在原子尺度的均一复合，除了对物质本身的结晶习性有较高要求外，选择合适的合成方法更加关键。而要制备具有规则的特殊形貌的固溶体材料产物就更加困难。

发明内容

针对目前关于棒状碳酸钴铁复合材料及其应用的研究几乎没有任何报道以及相关制备技术不足的现状，本发明的目的是提供一种棒状碳酸钴铁复合材料及其工艺简单的可控制备方法和在制备锂离子电池负极材料中的应用。

本发明的技术方案是设计了一种简单的一步水热反应方法，以水为溶剂，加入一定配比的可溶性铁盐和可溶性钴盐，以一定量的碳酸盐为沉淀剂，以一定量的金属离子络合剂为晶体形貌调控剂，在一定温度下反应一定时间即合成了棒状碳酸钴铁复合材料。

具体的，本发明所述棒状碳酸钴铁复合材料，其特征在于，所述棒状碳酸钴铁复合材料的分子式为Fe_xCo_1-xCO₃，其中0＜x＜1，形貌为棒状，棒宽度为2.5±0.5微米，棒长度由x值大小调控，其中x=0.2时棒长7±1微米，x=0.4时棒长8±1微米，x=0.6时棒长5±1微米，x=0.8时棒长3±1微米；所述棒状碳酸钴铁复合材料由如下方法制得：

（1）将可溶性铁盐和钴盐分别以0.01～5.00mmol/40mL的量加入蒸馏水中，并且使水中可溶性铁盐与钴盐的摩尔比为x:(1-x)，其中x值为0＜x＜1，搅拌水溶液至溶液澄清；

（2）搅拌条件下向上述溶液中按0.01～10.00mmol/40mL的量添加碳酸盐，然后再持续搅拌10～30min得浑浊溶液；