[发明专利]一种碳布/四氧化三钴纳米线复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳布/四氧化三钴纳米线复合材料及其制备方法和应用，属于负极材料技术领域。本发明采用化学浴沉积的方法，使四氧化三钴纳米线均匀生长在碳布上，且得到的四氧化三钴纳米线呈现尖晶石结构；此方法制备的碳布/四氧化三钴纳米线复合材料中，四氧化三钴纳米线直径小且均匀；并且，四氧化三钴纳米线直接生长在碳纤维上，与碳纤维基底接触良好；将本发明制备的碳布/四氧化三钴纳米线复合材料用于锂离子电池负极材料时，其可直接作为负极材料的集流体，无需额外粘结剂及导电添加剂，简化了电池制备的工艺流程；所制备的复合材料用作锂离子电池负极材料时具有较高的比容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及负极材料技术领域，尤其涉及一种碳布/四氧化三钴纳米线复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于锂离子电池具有比容量高、循环寿命长、容量密度高及绿色环保等优点而被广泛应用于便携式数码电子设备以及动力汽车等行业中。随着人们对能源需求的逐渐提高，对锂离子电池的比容量以及倍率性能的要求也逐渐提高。然而，现有的锂离子电池技术在能量密度以及比容量方面正在达到它的极限。为了提高锂离子电池的容量，人们一直在寻找更高容量的电极材料。过渡金属氧化物由于其较高的理论比容量而引起了科研工作者的广泛关注。

过渡金属氧化物(TMOs)，特别是Co₃O₄负极材料具有较高的理论容量(890mA·h/g)和优越的安全性，被认为是取代现有商用石墨材料的理想材料。大量的实验和理论计算证明TMOs表面的杂原子和空位是修饰其电学性质和化学活性的有效途径，所产生的缺陷可以作为电子或空穴的俘获中心优化带结构，提供更高的导电性。此外，它还可以作为离子活性位点，降低能垒，提高锂离子的吸附和反应能力。然而，TMOs负极在重复循环过程中体积变化巨大，导致了固体电解质界面层(SEI)的严重粉碎和聚集，导致容量迅速衰减[Synergistic engineering ofdefects and arc hitecture in Co₃O₄@C nanos heetstoward Li/Na ion batteries wit h en hanced pseudocapacitances[J].Nano Energy,2020,(78)105366]。为了解决上述问题，研究者们通常通过减小四氧化三钴纳米结构的尺寸来缓解锂离子嵌入和脱出过程中的体积变化，从而来提高其电化学性能。

在四氧化三钴各种纳米结构的制备方法中，最常见的为水热法、溶胶凝胶法以及沉淀法。水热法是在高压反应釜中以水为溶剂通过加热加压的方法使得四氧化三钴开始形核并生长，从而得到纳米四氧化三钴。溶胶凝胶法则是将钴盐的前驱体溶解在有机溶剂中，形成溶胶，经过陈化转变成凝胶，再在一定的温度和气氛下干燥形成氧化物。沉淀法是通过有机配体与钴的硝酸盐之间的反应，生成类沸石咪唑酯结构的含钴前驱体，然后热分解前驱体得到四氧化三钴。相比之下，沉淀法简单易行，对设备和技术要求不高，不易引入杂质，但是制备出产物的粒子粒径分布较宽，且分散性较差。而溶胶凝胶法可以制备粒径分布较为均匀的产品，但是一般需要高温煅烧来得到结晶的氧化物，不利于大规模生产。水热法虽然能够直接得到粒径分布均匀的纳米材料，但是其高温高压的反应条件也不利于大规模生产。可见，在现有技术中，制备四氧化三钴纳米结构的方法存在制备条件苛刻，难以大规模生产的缺陷。

并且，现有技术制备出的四氧化三钴纳米粉体作为锂离子电池负极材料时，往往需要将四氧化三钴纳米粉体与粘结剂、导电添加剂等混合，制备工艺复杂、且增加了电池制作的成本，且制备的电池的电化学性能有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳布/四氧化三钴纳米线复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的碳布/四氧化三钴纳米线复合材料的制备方法简单、条件温和，适宜大规模生产，且能够直接作为负极材料的集流体，具有优异的电化学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳布/四氧化三钴纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：