[发明专利]十二面体多孔Co3ZnC/C复合材料的制备方法及在锂离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种十二面体多孔Co₃ZnC/C复合材料的制备，及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为一种占据社会主导地位的电化学储能器件，已经在便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)、电动汽车中取得了快速发展，并表现出良好的发展前景。锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池是现代高性能电池的代表，有关电极材料的探索不断见诸报道，仍是研究的热点，而热点之一便是锂离子电池负极材料的研究，新的材料，如氧化物，硫化物等都有报道，最近出现了有关过渡金属碳化物的报道。

目前报道的碳化物种类以及其合成方法多种多样，Lai等人(RSC Adv.，2016， 6，45612-45616)报道了一种用Ni(CH₃COO)₂·4H₂O和Zn(CH₃COO)₂·4H₂O以 DMF为溶剂合成Ni₃ZnC_0.7的方法，制得的Ni₃ZnC_0.7应用于锂空气电池时表现出 7390mAhg^-1的初始比容量，但该制备方法过程复杂，合成条件苛刻，难以实现工业生产；Chen等人(J.Mater.Chem.A，2016，4，9204-9212)通过在高温煅烧条件下制备了球状的Co₃ZnC/Co并研究了其双功能的催化性能，得到了比较好的结果，但是该制备方法用到了有毒的氰化物，成为其材料制备中的缺陷；中国专利CN104888865A报道了一种用阴离子交换树脂作为碳源，通过固相法制得的双金属碳化物复合材料Fe₂WC，应用于催化领域表现出良好的性能，但碳化温度较高，能耗较大。

上述碳化物应用于锂空气电池等方面时表现出良好的性能，但其制备方法大多存在合成条件苛刻，形貌和材料均匀度不易控制的缺点；含有双金属的过渡金属碳化物在锂离子电池领域鲜见报道，因此过渡金属氧化物作为一种锂离子电极材料的研究值得探索。

发明内容

针对现有的碳化物的合成技术及应用存在的制备工艺复杂、条件苛刻、制得的材料的形貌、性能差等缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种由纳米颗粒堆积组装而成、形貌均匀、稳定性好，且具有多孔特性的多孔十二面体Co₃ZnC/C 复合材料及其制备方法。

本发明的另一个目的是在于提供所述的十二面体多孔Co₃ZnC/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，应用于锂离子电池时能表现出特别优异的循环性能和倍率性能，有利于推广应用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于锂离子电池的十二面体多孔 Co₃ZnC/C复合材料的制备方法，将聚乙烯吡咯烷酮、钴盐、锌盐分散在醇中得分散液，随后向分散液中投加2-甲基咪唑；搅拌反应后静置纯化、洗涤得到前驱体化合物；将所述的前驱体化合物在保护气氛、500～700℃下热处理得到所述的 Co₃ZnC/C复合材料。

本发明中，将聚乙烯吡咯烷酮和钴盐及锌盐投加至醇中，经搅拌分散得分散液；再将2-甲基咪唑快速加至分散液中搅拌反应，生成金属有机配合物，静置纯化(例如在室温下)，形成具有特殊十二面体结构的金属有机框架材料；固液分离后对固体进行洗涤处理，得到前驱体化合物(紫色沉淀)；所述前驱体化合物再置于保护气氛中，在所述的温度下热处理后，即得所述的Co₃ZnC/C复合材料。该制备方法工艺简单、条件温和可控；制得的复合材料由纳米颗粒堆积组装而成、形貌均匀、稳定性好，且具有多孔特性。

所述的钴盐为钴的水溶性化合物；所述的锌盐为锌的水溶性化合物。

优选的方案，锌盐和钴盐为硝酸盐、硫酸盐、氯盐中的至少一种。较优选的方案，锌盐和钴盐为硝酸盐。

例如，所述的锌盐为硝酸锌、硫酸锌、氯化锌的至少一种；优选为硝酸锌。

所述的钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴的至少一种；优选为硝酸钴。