[发明专利]一种花状四氧化三钴/石墨烯中空微球锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种花状四氧化三钴/石墨烯中空微球锂离子电池负极材料及其制备方法，该负极材料由微米量级中空微球组成，中空微球的壁由二维纳米片大体沿径向排列围成，二维纳米片上分布有直径为2‑5纳米的孔，二维纳米片的主体材料为四氧化三钴，其表面附着有石墨烯片层。该电极材料具有制备工艺简便、形貌独特，制备得到的四氧化三钴/石墨烯中空复合微球虽然为微米量级，仍然表现出较好的循环性能和倍率性能。而且微米量级的微球可以解决纳米结构在充放电过程中容易发生团聚的问题。

技术领域

本发明属于电化学和新能源领域，具体涉及一种高性能花状四氧化三钴/石墨烯中空微球锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

当今，动力锂离子电池成为制约新能源汽车发展的关键瓶颈，研发大功率、高能量密度、高能量效率、循环稳定性好、应用寿命长、环境适应性强的新型锂离子电池刻不容缓。然而，当前国内外商业化锂离子电池采用的负极材料如石墨，比容量仅为372mAh/g，且不易快速充放电，过充过放电都对电池材料造成不可逆损害，已难以满足锂离子电池电动汽车等领域的发展和需求，为此，研发一种新型锂离子电池负极材料迫在眉睫。

由于其高的理论比容量，过渡金属氧化物如氧化钴、氧化铁、四氧化三铁、二氧化锡、氧化镍、四氧化三锰和二氧化钼等已被广泛应用为负极材料。在众多的过渡金属氧化物材料中，四氧化三钴具有890mAh/g比容量，是石墨负极比容量的2.5倍，体积比容量为石墨的7.5倍。然而，四氧化三钴在充放电过程中剧烈的体积变化导致循环性能差；而且四氧化三钴负极材料具有较低的电子导电率而表现出较差的倍率性能。这些缺陷严重阻碍了四氧化三钴作为负极材料在锂离子电池中的应用。

目前研究表明，将四氧化三钴纳米化，用导电碳材料进行包覆，是改善四氧化三钴作为锂离子电池负极材料循环性能和倍率性能的有效手段。如天津大学的Zhu等人(Zhu S,Li J J,Deng X Y,et al.Ultrathin-Nanosheet-Induced Synthesis of 3D TransitionMetal Oxides Networks for Lithium Ion Battery Anodes[J].Advanced FunctionalMaterials,2017,27(9).1605017)制备出三维Co₃O₄连续网络作为锂离子电池负极材料，在100mA/g电流密度下，比容量达到1033mAh/g；中科院长春应用化学研究所Huang等人(HuangG,Zhang F,Du X,et al.Metal organic frameworks route to in situ insertion ofmultiwalled carbon nanotubes in Co₃O₄polyhedra as anode materials for lithium-ion batteries[J].ACS nano,2015,9(2):1592-1599.)制备多壁碳纳米管包覆的四氧化三钴多面体复合材料，电化学性能得到明显改善，100mA/g电流密度下，循环100圈后，比容量达到813mAh/g；1000mA/g电流密度，比容量仍能保持在514mAh/g。尽管目前有关四氧化三钴电极材料的改性已取得一定进展，但目前包括上述文献在内的大部分文献和专利关于四氧化三钴电极材料的改性工艺和制备方法都是将四氧化三钴纳米化或在纳米化基础上进行碳材料包覆，工艺较复杂，成本较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种花状四氧化三钴/石墨烯中空微球复合电极材料，该电极材料具有制备工艺简便、形貌独特，制备得到的四氧化三钴/石墨烯中空复合微球虽然为微米量级，仍然表现出较好的循环性能和倍率性能。而且微米量级的微球可以解决纳米结构在充放电过程中容易发生团聚的问题。

本发明的第二个目的是提供上述花状四氧化三钴/石墨烯中空微球复合电极材料的制备方法。采用双重水热法，制备出具有高性能特殊结构的四氧化三钴/石墨烯锂离子电池负极材料，制备工艺简便。