[发明专利]一步溶剂热法合成三维石墨烯包裹碳酸钴量子点复合物电极材料及方法

说明书

本发明涉及一种一步溶剂热法合成三维石墨烯包裹碳酸钴量子点复合物电极材料及方法，先按体积比为(0.5～3)：70，将油酸加入乙醇溶液中，得到溶液A；将钴盐和沉淀剂加入到溶液A中，搅拌均匀得到溶液B；将氧化石墨烯加入到溶液B中，搅拌均匀得到悬浮液C；对悬浮液C进行超声处理，然后进行均相水热反应，生成沉淀物；分离出沉淀物并洗涤干燥，得到三维石墨烯包裹碳酸钴量子点复合物电极材料。本发明产物中三维石墨烯网络骨架不仅使得材料具有很好的机械强度和稳定性，而且也减小了电子传输的距离，加快了电子传输的速度，被石墨烯骨架包裹着的CoCO₃量子点，尺寸小，对充放电过程中电子和离子的传输有促进作用，提高电化学性能。

技术领域

本发明涉及离子电池负极材料领域，具体涉及一种一步溶剂热法合成三维石墨烯包裹碳酸钴量子点复合物电极材料及方法。

背景技术

能源是整个人类社会发展不可或缺的物质基础，但随着不可再生能源的逐渐耗竭和其带来的生态问题及环境问题，使得人们不得不研发新的可再生能源。锂离子电池由于具有电压高、比能量大、放电电压平稳以及工作寿命长等优点，已经被广泛应用于各类便携型电子器件以及医疗和航空领域。但是锂资源短缺和其较高的成本成为制约其发展的重要因素，相比锂，钠的存储十分丰富，而且锂和钠属于同一主族，化学性质相似，钠离子电池和锂离子电池的工作原理也相似，因此用钠代替锂开发钠离子电池是未来新能源发展的趋势。

对于锂离子电池和钠离子电池而言，很多过渡金属氧化物都可作为它们的负极材料，如CoO、Co₃O₄、Mn₃O₄、Fe₂O₃等，它们都具有较高的理论容量。过渡金属碳酸盐(如CoCO₃、MnCO₃、FeCO₃等)通常被视为过渡金属氧化物的前驱体，对于其用于电极材料的研究却比较少，但是也有一些过渡金属碳酸盐具有比过渡金属更优异的电化学性能的案例。YirenZhong等[Yiren Zhong,Liwei Su,Mei Yang,Jinping Wei,and Zhen Zhou.Rambutan-LikeFeCO₃Hollow Microspheres:Facile Preparation and Superior Lithium StoragePerformances[J].ACS Appl.Mater.Interfaces,2013,5:11212-11217.]利用水热法制备出红毛丹果状的FeCO₃中空微球，在200mA/g的电流密度下循环200圈可以保持在～710mAh/g。María JoséAragón等[María JoséAragón,Bernardo León,Carlos Pérez Vicente,JoséL.Tirado.A new form of manganese carbonate for the negative electrode oflithium-ion batteries[J]J.Power Sources,2011,196:2863-2866.]用微乳液法制备的MnCO₃立方体表现出372mAh/g的可逆容量，也有较好的循环稳定性。Lianbang Wang等[Lianbang Wang,Weijie Tang,Yu Jing,Liwei Su,and Zhen Zhou.Do Transition MetalCarbonates Have Greater Lithium Storage Capability Than Oxides？A Case Studyof Monodisperse CoCO₃and CoO Microspindles[J].ACS Appl.Mater.Interfaces,2014,6:12346-12352.]通过溶剂热法结合热处理所得的梭状CoCO₃在50mA/g的电流密度下循环10圈后的可逆容量可以达到1065mAh/g，不仅远高于CoCO₃的理论容量(450mAh/g)甚至高于CoO循环可逆容量(～720mAh/g)。Liwei Su等[Liwei Su,Zhen Zhou,Xue Qin,Qiwei Tang,Dihua Wu,Panwen Shen.CoCO₃Submicrocube/Graphene Composites with High LithiumStorage Capability[J].Nano Energy,2013,2:276-282.]通过溶剂热法制备的CoCO₃/graphene复合物在循环40圈后可逆容量约为930mAh/g。有研究表明过渡金属碳酸盐(MCO₃)的电化学反应机理除了MCO₃到M⁰/LiCO₃的可逆转换所提供的450mAh/g的理论容量，还有其中的LiCO₃也可以参与到锂的存储过程中，同时也在某些电位处对还原后的M⁰的氧化起到催化作用，根据这样新的电化学机理，那么MCO₃的理论容量可以达到～1300mAh/g。由此，也使得过渡金属碳酸盐得到越来越多的关注。