[发明专利]一种高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料及其制备与应用

说明书

本发明公开一种高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池技术领域。本发明利用四水醋酸钴自身含有的结晶水与醋酸钴发生水解反应生成棒状的含钴前驱体，加之在PVP的作用下，含钴前驱体的尺寸被限制，得到了纳米级别的棒状前驱体，TAA与前驱体反应生成纳米棒状的硫化钴，在后续的烧结过程中能提高材料的结晶性能，均匀复合了碳纳米管的纳米材料有利于内阻的减小和电子的传输，对电化学性能有很大的提高。本发明使用了冷冻干燥技术，有效避免了碳纳米管容易团聚的问题。得到的碳纳米管复合的CoS负极材料具有高的比容量，充放电容量高，首次库伦效率高，且容量衰减情况得到显著改善。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池因其工作电压高、比容量高、循环性能好、可快速充电、无记效应、绿色环保等优点，在许多领域得到了广泛应用。商品化的锂离子电池仍采用碳素材料作为负极材料，但该材料在实际电池中的容量较低(理论容量仅为372mAh/g)，已不能满足人们的需求。因此，研发具有更高容量的负极材料对于锂离子电池的发展具有重要的意义。由于过渡金属硫化物(MoS₂，FeS，NiS，CoS₂等)具有很高的比容量，将其应用在锂离子电池中的研究也越来越多。其中，具有多种化学计量比的硫化钴(Co_1-xS，CoS，CoS₂，Co₃S₄等)因其独特的电化学特性而引起了许多研究者的兴趣。在众多锂离子电池硫化钴负极材料的研究中，由于锂离子的嵌入和脱出，电极材料的体积会发生膨胀，甚至粉化，导致结构坍塌，而且在充放电过程中会生成不可逆的单质钴，从而降低了电极材料的可逆容量和循环稳定性。幸运的是，通过控制合成特殊的形貌、结构可以缓解充放电过程中的应力变化，降低体积膨胀，通过与碳纳米管或石墨烯等复合可以提高材料的导电性以及循环稳定性，从而明显提高其电化学性能。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于锂离子电池的高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的用于锂离子电池的高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料。

本发明的再一目的在于提供上述用于锂离子电池的高容量碳纳米管复合硫化钴负极材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高容量锂离子电池硫化钴负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在转速为400～700rpm的搅拌条件下，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)均匀溶解在无水乙醇中，至溶液变澄清；

(2)在转速为400～700rpm的搅拌条件下，将四水醋酸钴(Co(CH₃COO)₂·4H₂O)加入到步骤(1)的溶液中，在室温条件下持续搅拌20～40min，待醋酸钴分散均匀后静置40～50h，得到含钴前驱体沉淀；

(3)将步骤(2)中生成沉淀的溶液进行离心，除去上清液后再用热乙醇洗涤10～20次后得到含钴前驱体；

(4)将步骤(3)中得到的含钴前驱体干燥；

(5)在持续搅拌的条件下，将一定比例的含钴前驱体、硫代乙酰胺(TAA)加入到无水乙醇中，在搅拌转速为600～800rpm的条件下，持续搅拌30～40min(优选为35～40min)后，使其完全溶解；

(6)将步骤(5)中的溶液转移至反应釜内衬中，将内衬放入不锈钢反应釜中，在110～160℃的条件下恒温5～8h得到硫化钴(CoS)；

(7)将CoS置于400～600℃条件下煅烧4～6h提高其结晶度。