[发明专利]一种纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料的制备方法

说明书

本发明属于储能材料制备技术领域，涉及一种纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、以碳布为基底，于含有钴离子的盐溶液中进行水热反应，得纳米级氢氧化钴；S2、将前述纳米级氢氧化钴晾干后，于空气氛围下煅烧，得到纳米级四氧化三钴；S3、将纳米级四氧化三钴于乙二醇溶液中进行水热还原，得到纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料。本发明利用水热‑煅烧‑水热法制备四氧化三钴电极，克服了现有钴电极容量低和循环寿命不稳定的缺陷，利用纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极的高活性、超高的比表面积和稳定的结构，提高了电极的比容量，增强了在不同电流密度下的循环稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料制备技术领域，更具体地，涉及一种纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料的制备方法。

背景技术

众做周知，风能、潮汐能、太阳能等可再生能源由于间断性与地域性的特点，不能产生持续且稳定的能量。因此，发展价格低廉和环境友好的电能储存装置，实现高效率的电力贮存与输出，是发展可再生能源的重要组成部分。

电化学储能器件的性能优劣主要取决于其正极材料。金、银、铂、钯、铱等的合金正极材料和二氧化铷等的涂层电极材料是电的良导体，被认作理想的电极材料，但是高昂的价格限制了它们的实际应用。因此，价格便宜、储量丰富且电化学性能好的电极材料一直备受关注。近年来，不断发展的过渡金属氧化物(氧化钴、氧化锰、氧化镍等) 电极材料，具有比碳材料拥有更高的比容量和能量密度、比导电聚合物更好的电化学稳定性和理论容量的优点，可以代替部分贵金属在储能器件中的应用。目前普遍使用的电池主要分为锂电池、锌锰电池和铅蓄电池。尽管电池的发展已经日趋完善，但电池在实际应用中仍具有不容忽视的缺点，如：锂电池电压滞后，且价格昂贵，安全性不高；锌锰电池较低的电压，不能产生超过1安培的持续电流；铅蓄电池的比容量小且具有较强的腐蚀性。在储量丰富的金属氧化物中，四氧化三钴是一种立方尖晶石过渡金属氧化物，具有多重氧化态和耐腐蚀性的优点，尤其在碱性电解液中可快速地发生可逆氧化还原反应，加快电荷和离子在电解液中的传输，减少电极-电解质界面层中由于电荷传递造成的阻滞，具有很高的活性与稳定性，同时有着较大的容量性质，是一种极具潜力的电极材料。

目前常见的四氧化三钴制备方法包括：溶剂热/水热法、电化学阴极沉积法、模板法、溶胶-凝胶法，不同的制备方法得到不同的形貌结构。纳米结构的四氧化三钴有针状、球状、片状和花瓣状等不同形貌，且电极材料的形貌影响着电化学性能。例如专利CN106335930 A《多孔球形四氧化三钴电极材料及其制备方法和应用》将前驱体溶液进行雾化-煅烧，制备出球形的四氧化三钴电极材料；专利CN 104803423 A《一种多孔四氧化三钴材料的制备方法及其应用》将前驱体溶液进行水热-煅烧的方法，得到具有芭蕉叶形的四氧化三钴电极材料。以上专利合成的四氧化三钴材料为粉末状态，在制作储能器件的电极过程中，都需要加入导电炭黑和导电性差的高分子助剂。此步骤不仅耗时费力，而且高分子助剂的引入增加了电极的内电阻和界面电阻。合成的电极材料在进行电化学反应过程中，电活性物质容易发生粒子团聚与体积膨胀的现象，导致导电性变差，进而使容量降低速度加快，循环稳定性变差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电极制备工艺复杂且电极容量低和循环寿命不稳定的缺陷，提供一种纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、以碳布为基底，在含有钴离子的盐溶液中进行水热反应，得到纳米级氢氧化钴负载于碳布上；S2、将前述得到的纳米级氢氧化钴晾干后，于空气氛围下煅烧，得到纳米级四氧化三钴负载于碳布上；S3、将前述得到的纳米级四氧化三钴于乙二醇溶液中进行水热还原，得到引入大量氧空位的纳米级短棒状多孔四氧化三钴电极材料。

优选地，在步骤S1中，所述盐溶液为钴盐、铵盐和尿素的混合水溶液。