[發(fā)明專利]納米結(jié)構(gòu)組裝高振實(shí)密度四氧化三鈷粉末的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910043587.3
• 申請日: 2009-06-03
• 公開（公告）號(hào): CN101565210A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張立;吳厚平
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G51/04
• 分類號(hào): C01G51/04;B82B3/00;H01M4/52;B01J23/75
• 代理公司: 中南大學(xué)專利中心
• 代理人: 龔燦凡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池與超級(jí)電容器電極材料、催化劑等領(lǐng)域用具有六面體外形、粒度分布指標(biāo)D50≥8μm的高振實(shí)密度、高比表面積納米結(jié)構(gòu)組裝Co₃O₄粉末的制備方法，屬于化工與材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

Co₃O₄是一種具有標(biāo)準(zhǔn)尖晶石結(jié)構(gòu)的過渡族金屬氧化物，在＜800℃溫度下的空氣中十分穩(wěn)定；納米Co₃O₄在紫外、可見及近紅外區(qū)域都具有良好的吸收效果。Co₃O₄的應(yīng)用極其廣泛，可用作環(huán)保、化工、燃料燃燒用催化劑，超級(jí)電容器與鋰離子電池電極材料，磁性半導(dǎo)體材料，熱敏和壓敏材料，氣敏傳感器材料，隱身材料，太陽能吸收材料等。Co₃O₄在這些方面的應(yīng)用效果，除受材料本身化學(xué)性質(zhì)的影響外，其微觀結(jié)構(gòu)是影響和決定其性能的關(guān)鍵因素。

以鋰離子電池材料為例，實(shí)踐證明，LiCoO₂正極粉體材料的振實(shí)密度越大，正極片中正極材料的實(shí)際堆積密度越大，單位體積的電池中可裝入的正極材料越多，電池的能量密度也越大。因此，目前企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中生產(chǎn)LiCoO₂用Co₃O₄粉末的振實(shí)密度通常要求≥1.5g/cm³，然而滿足這一要求的傳統(tǒng)Co₃O₄粉末的比表面積通常≤3.0m²/g。胡國榮等的研究結(jié)果表明，比表面積大的Co₃O₄合成的LiCoO₂具有更高的首次放電比容量(胡國榮，石迪輝，張新龍，等.Co₃O₄對(duì)LiCoO₂電化學(xué)性能的影響.電池，2006，36(4)：286-287)。因此，開發(fā)高比表面積與高振實(shí)密度的Co₃O₄粉末是進(jìn)一步改善鋰離子電池材料使用性能的有效途徑。以粉末催化劑為例，粉末的比表面積越大，其表面活性越高。然而，傳統(tǒng)高比表面積超細(xì)、納米粉末由于其固有的高團(tuán)聚度特性使其透氣性降低，從而影響其高催化活性潛能的有效發(fā)揮。納米組裝粉末通過基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個(gè)體系表現(xiàn)為納米顆粒的特性。由于通過空隙的存在，納米組裝粉末催化劑具有顯著改善其催化活性的潛能。

通常情況下，粉體材料的比表面積與松裝密度成反比。然而，納米組裝技術(shù)的出現(xiàn)使粉體材料同時(shí)具備高比表面積與高松裝密度、高振實(shí)密度成為現(xiàn)實(shí)。在成分相同的情況下，與已報(bào)道的其它形貌的納米組裝體系相比，如針狀、絲狀、管狀、空心狀、花朵狀、不規(guī)則形狀等，納米顆粒有序、緊密堆垛而形成的納米顆粒與介孔組裝的標(biāo)準(zhǔn)六面體外形的納米組裝體系粉體具有最小的拱橋效應(yīng)、最大的松裝密度與振實(shí)密度。這一特性正是實(shí)現(xiàn)納米器件超微化、高效化、高性能化的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是顯著提高納米粉體材料及其深加工制品使用性能的重要手段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高振實(shí)密度與高比表面積納米結(jié)構(gòu)組裝Co₃O₄粉末的制備方法，利用該方法制備得到的粉末具有六面體外形特征，可廣泛應(yīng)用作鋰離子電池與超級(jí)電容器電極材料、催化劑。

本發(fā)明的目的通過以下措施達(dá)到：

Co₃O₄前驅(qū)體即CoCO₃的高壓水熱合成：

采用硫酸鈷或氯化鈷或醋酸鈷為鈷鹽原料，按鈷鹽與尿素的摩爾比1∶1.5～3.0進(jìn)行配料，分別將鈷鹽與尿素溶于蒸餾水或去離子水中得到溶液A與B，其中鈷離子濃度控制在0.4～1.0mol/L之間；將溶液A與溶液B混合得到溶液C，過濾溶液C；將過濾后的溶液C置入高壓釜內(nèi)；用N₂排盡釜內(nèi)空氣后，繼續(xù)通入N₂使釜內(nèi)壓力達(dá)到1.5～3.5MPa，控制高壓釜轉(zhuǎn)速為300～800rpm，升溫至140～220℃，保溫2～8h，進(jìn)行高壓水熱合成反應(yīng)；通過瞬時(shí)反應(yīng)、爆發(fā)沸騰形核、快速自組得到具有微觀層狀缺陷結(jié)構(gòu)、六面體外形、D50≥8μm的CoCO₃；將CoCO₃在40～50℃蒸餾水或去離子水中超聲波清洗四次以上，隨后進(jìn)行淋洗與脫水、干燥處理。

前驅(qū)體熱分解即Co₃O₄納米顆粒與介孔固體自組裝：