[发明专利]一种原位合成多孔纳米四氧化三钴/碳负极材料的方法

说明书

本发明提供了一种原位合成多孔纳米四氧化三钴/碳负极材料的方法，属于电化学领域。具体步骤为：采用溶剂热合成一种棒状多孔钴基金属有机框架；经洗涤、浸泡，真空干燥后得到前驱体，将此前驱体后放入惰性/氧混合气氛的管式炉中于高温碳化分解，得到具有多级多孔纳微米棒状结构Co3O4/C负极材料；本发明以具有周期性网络晶体结构的多孔、大比表面积钴基金属有机框架为自模板式前驱体，采用原位热分解的方法获取多级多孔纳微米棒状结构Co3O4/C锂离子电池负极材料，不仅过程简单，而且所得产物电导率高、比容量高、循环稳定性良好。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种具有多级多孔纳微米棒结构的四氧化三钴/碳锂离子电池负极材料制备方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，能源问题一直是社会以及政府所关注的话题。无论是发达国家还是发展中国家都意识到在可见的未来，如果没有找到替代化石燃料的能源的出现，因能源问题引起危机和战争必定会发生。自1991年日本索尼公司首次将锂离子电池商业化以来，已有不到三十年时间。期间，锂离子电池技术得到了快速的发展，锂离子电池作为设备电源以及动力能源的优势越来越突出。其相较于铅酸电池能量密度高，无记忆效应，循环寿命长的优点成为新能源界的中坚力量。

MOFs(Metal organic Framework)即金属有机骨架化合物，不同于一般的有机配合物，也不同于无机多孔材料，它是一类具有周期性网络晶体结构的多孔材料。事实上，配位聚合物材料中往往含有金属-氧键和含碳基团，含碳基团环绕在金属-氧键的周围，并且配位单元的高度有序的排列、重复；以其为自模板式前驱体在惰性气体中原位分解，简单一步就能得到具有多级多孔结构的过渡金属氧化物/碳复合材料；此外，在大量的金属氧化物当中，四氧化三钴（Co₃O₄）具有良好的理论容量。

随着锂离子电池正极材料的不断发展，负极材料的储锂性能也需要不断提升。目前商业化较好的负极材料为石墨，导电性能好，有完整的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，其理论比容量为372mAh/g；但是，在正极材料比容量不断提升的情况下，石墨负极材料满足不了实际应用的需求，因此需要开发出新型的负极材料。

发明内容

为了解决目前负极材料的储锂性能不足的问题，本发明以发展新型负极材料为目的，提供一种基于棒状钴基金属有机框架制备多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳（Co₃O₄/C）锂离子负极材料的方法。

本发明首先提供一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料，其特征在于，由四氧化三钴与碳的混合物组成，微观结构为棒状多孔结构，表面孔尺寸为纳米级结构；其制备完成时为黑色粉末状物体，棒状结构直径2~30μm，长度不小于2μm。

本发明还提供一种原位合成多孔结构四氧化三钴/碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）前驱体钴基金属有机框架的制备

将5-(4-吡啶基)间苯二甲酸（H₂ndc），六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O），镧系六水合硝酸盐（Ln(NO₃)₃·6H₂O），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和去离子纯水依次称量放入反应釜中；将上述反应釜置入鼓风干燥箱进行干燥，所得产物使用N,N-二甲基甲酰胺浸洗，再使用清洗溶剂超声洗涤干净，得到粉红色棒状晶体并将其置于清洗溶剂浸泡；然后将粉红色棒状晶体置入真空干燥箱进行真空干燥，得到干燥的暗粉红色棒状晶体即为所要制备负极材料的前驱体；

（2）多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳负极材料的制备

将步骤（1）中暗粉红色棒状晶体置入管式炉中在氩氧混合气氛环境下煅烧，取出得到黑色粉末，即为所需制备的多级多孔纳微米棒状结构四氧化三钴/碳负极材料。