[发明专利]中空多孔Co3O4纳米盒/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用

说明书

一种中空多孔Co₃O₄纳米盒/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用，属于锂离子负极材料制备技术领域。其主要步骤为：(1)制备钴基金属有机框架ZIF‑67；(2)在氩气保护下400℃保温2h，在空气中400℃保温2h，制备中空多孔Co₃O₄纳米盒；(3)通过一次水热将中空多孔Co₃O₄纳米盒与氧化石墨烯复合，并使氧化石墨烯在水热过程中发生还原反应。该材料制备方法比较新颖、工艺简单、结构相对容易控制，作为锂离子电池负极材料，表现出高的容量，出色的倍率性能，优异的循环稳定性，具有非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及中空多孔Co₃O₄纳米盒/还原氧化石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料的应用，该材料以ZIF-67为模板制备Co₃O₄，并与还原氧化石墨烯复合，有效提高金属氧化物的导电性，使其具有高的容量，出色的倍率性能，优异的循环稳定性。

背景技术

随着世界人口的快速增长和经济的持续发展，能源消耗量不断增加。大力开发和发展新能源是可持续发展的必然趋势。锂离子电池作为一种高效的电化学电池储能装置，具有高能量密度、长循环寿命、环境友好、灵活的功率和能量特性，以满足不同的功能需求。过渡金属氧化物作为负极材料展现出相比于传统石墨材料两倍或三倍的较高理论比容量(500～1000mA h g^-1)，具有良好的应用前景。在众多的过渡金属氧化物中，Co₃O₄由于拥有较高的理论比容量(约1000mA h g^-1)和优异的循环性能受到了广泛的关注。然而，由于Co₃O₄材料存在着较大的不可逆容量损失和较差的倍率性能等缺点极大地限制了其作为锂离子电池负极材料的实际应用。为了克服这些固有缺陷，可以通过(1)设计微纳米级空心多孔结构：增加电极电解液接触面积，释放嵌锂和脱锂过程中结构应力，缩短锂离子扩散路径等从而有效的提高电极的倍率性能和整体容量；(2)与高导电性的石墨烯材料复合提高其倍率性能从而提高容量。

近年来，沸石咪唑骨架(ZIFs)作为金属有机骨架的主要分支，具有永久孔隙、高表面积、疏水性、开放的金属位点和优异的水稳定性，已用于储气、催化等诸多领域。ZIFs衍生的金属氧化物在电化学反应中拥有丰富的反应位点、较短的离子扩散距离和在反应过程中可有效地释放体积应变，但作为锂离子电池负极材料时，ZIFs衍生材料的稳定性仍有待提高。石墨烯因其具有高的比表面积、机械强度和高的导电性是用作Co₃O₄的理想衬底材料之一。

发明内容

本发明提供一种中空多孔Co₃O₄纳米盒/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及其在锂电池负极应用，其目的在于有效的将还原氧化石墨烯与中空多孔Co₃O₄纳米盒通过静电吸引结合在一起，将ZIF-67退火后制备的Co₃O₄保留了金属有机框架高的孔隙率，同时与还原氧化石墨烯的协同作用能够有效缓解电极材料在充放电过程中的体积变化，并提高比容量和循环稳定性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明一种中空多孔Co₃O₄纳米盒/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，