[发明专利]一种多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒的制备方法，该方法利用Co₃O₄纳米棒作为模板，通过吡咯原位聚合、碳化的方式先形成Co₃O₄纳米棒@聚吡咯核壳结构后再碳化得到CoO@氮掺杂碳。本发明制备的多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒用作高性能锂离子电池负极材料，一方面因其具有多孔结构，不仅在循环中能够有效缓冲体积变化，提高材料的循环稳定性，还能增加活性物质与电解液的接触面积，提高材料的有效利用率；另一方面，由于在多孔结构上包覆一层氮掺杂碳材料能够提升材料的导电性，从而进一步提升材料的电化学活性，在锂离子电池领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料及锂离子电池负极材料制备方法，具体涉及一种多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒的制备方法。

背景技术

为了满足锂离子电池在电动汽车、智能电网等领域的应用，开发高能量密度的锂离子电池负极材料成为其中的关键之一。而转化储锂机制的过渡金属氧化物放电比容量能够达到600-1200mAh/g,远高于目前商业化的石墨负极材料372mAh/g，其中钴基氧化物(Co₃O₄、CoO等)的放电比容量明显优于其它的过渡金属氧化物，但普通结构的钴基氧化物存在因其导电性较差、循环中由于材料体积变化导致容量衰减的缺陷；研究发现，具有多孔结构的过渡金属氧化物，其在循环中能够有效的缓冲体积变化，提高材料的循环稳定性；同时多孔结构也能增加活性物质与电解液的接触面积，提高材料的有效利用率；研究还发现，在多孔结构上包覆一层碳材料，特别是氮掺杂碳材料能够提升材料的导电性，从而进一步提升材料的电化学活性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒的制备方法，制备的材料用作高性能锂离子电池负极材料。

为实现以上目的，本发明一种多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒的制备方法利用Co₃O₄纳米棒作为模板，通过吡咯原位聚合、碳化的方式先形成Co₃O₄纳米棒@聚吡咯核壳结构后再碳化得到CoO@氮掺杂碳；具体操作步骤如下：

a.将浓度为1-5mL/L的吡咯单体分散于浓度为10-30g/L的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液中；

b.以1-10g/L的比例向溶液a中加入多孔Co₃O₄纳米棒，超声分散10-20min后，由于溶液a中表面活性剂SDBS的存在，Co₃O₄纳米棒将均匀分散于溶液中；保持磁力搅拌0.5-2h，加入浓度为0.1mol/L的过硫酸钠溶液5-15mL作为引发剂；

c.将溶液b在磁力搅拌下放置5-10h，过硫酸钠将引发吡咯发生活性自由基聚合，在良好分散的Co₃O₄纳米棒表面形成聚吡咯层，形成多孔CoO纳米棒@聚吡咯核壳结构黑色粉体；

d.将干燥的多孔CoO纳米棒@聚吡咯核壳结构黑色粉体在惰性气氛下、300～700℃下碳热还原煅烧2-5h，得到黑色粉末多孔CoO@氮掺杂碳纳米棒目标产物；由于聚吡咯是含氮聚合物，碳化后形成氮掺杂碳，并均匀包覆于CoO表面。

所述步骤a中吡咯单体的浓度优选为2-4mL/L。

所述步骤b中Co₃O₄纳米棒含量优选为2-5g/L，过硫酸钠溶液的浓度为0.1mol/L。

所述步骤d惰性气氛下煅烧温度优选为400～600℃。

本发明制得的多孔CoO@氮掺杂碳同轴纳米棒应用于高能量密度锂离子电池中。