[發明專利]一種石墨片/自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料、制備方法及應用其的鋰電池

有效

• 申請號: 201410132597.5
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN104167543A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 徐軍明
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M4/62;H01M4/131;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州賽科專利代理事務所 33230
• 代理人: 占國霞

技術領域

本發明屬于鋰離子儲能材料領域，涉及一種石墨片／自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料及制備方法，該材料可用于制作鋰離子電池電極。?

背景技術

石墨烯(單層石墨片)以及層數較少的石墨片具有良好的導電性和超大的比表面積，采用石墨烯材料代替傳統的碳材料用于鋰離子電池和超級電容器的電極，其已經表現出了良好的容量特性和充放電特性。但單一的石墨烯作電極也存在著一些問題，如存在著團聚、循環穩定性差等缺點。因此在石墨烯表面制備金屬氧化物作為電極是最近的研究熱點。利用石墨烯的優良的導電性和超大的比表面積作為載體，將納米級的過渡金屬氧化物分散在石墨烯的表面和片層之間，這種復合物應用于鋰離子電池負極材料和超級電容器將會有良好的循環性能和良好的倍率性能。?

納米四氧化三鈷Co₃O₄作為鋰離子電池負極材料已經有所研究，表現出了很高的容量和良好的循環性能。最近已有Co₃O₄納米棒、納米線、納米管和不同陣列的納米線的報道，但是Co₃O₄常因在充放電過程中有很大的體積變化而使部分反應不可逆，發生容量的損失，從而影響電池的循環性能。這是因為Co₃O₄的導電性差，從而引起的在充放電過程中發生粉化和團聚現象，所以為提高其導電性，可以嘗試將Co₃O₄分散在石墨片層上利用石墨的高導電性。?

為提高石墨片／氧化物復合儲鋰材料的性能，目標是氧化物顆粒尺寸盡量小、均勻，在石墨片上的密度盡量高。縮小尺度可以大大縮減鋰離子在其中的擴散時間，從而有利于提高倍率性能，縮小材料的尺寸也可以增加與電解質的接觸?面積，從而也可以增加鋰離子向材料內部擴散的路徑，進一步縮短其擴散時間，減小材料的尺寸也可以增強電子在材料內部的傳輸。提高氧化物在石墨烯表面的密度可以提高存儲鋰離子的數量，增加氧化物與石墨烯的協同效應，有利于提高容量特性。?

根據目前已有在石墨烯表面制備Co₃O₄的報道。常用通過石墨烯氧化物(GO)來制備復合物。石墨烯的化學改性在其表面引入官能團，通過氧鍵和官能團可以以化學鍵的方法在其表面沉積納米氧化物。這種通過GO方法及最近的還原氧化石墨烯的方法制備復合材料存在著工藝復雜，成本高缺點，同時，GO的化學改性會降低石墨烯的導電性，從而減弱了其作為電極的性能。存在制備的沉積Co₃O₄尺寸較大，大小不是很均勻，在石墨烯表面的覆蓋率不高的問題，這些都會一定影響電極材料特性。?

發明內容

為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種石墨片／自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料的制備方法，該方法采用在簡單超聲方法獲取的石墨片上制備納米尺寸小，密度高，具有一定空隙的四氧化三鈷顆粒，雖然石墨片的層數多于石墨烯，制備的復合物依然獲得了優良的儲鋰性能。在石墨片表面獲得的Co₃O₄納米顆粒為立方體，大小均勻，密度大于2×10¹³個／cm²，邊長約為4nm，相互之間的空隙在1-10nm，均勻分布在石墨片的兩個表面，能消除石墨片之間的直接接觸，不會出現團聚現象。Co₃O₄由于直徑小，大小均勻，能夠最好的獲取儲鋰性能。同時石墨片沒有經過任何處理，因此能保證最大的導電性。?

本發明的又一目的在于提供由以上方法制備得到的石墨片／自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料。?

本發明的又一目的在于提供使用該石墨片／自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料作負極的鋰電池。?

為實現上述目的，本發明的技術方案為：?

一種石墨片／自組裝納米四氧化三鈷鋰離子負極材料的制備方法，包括以下步驟：?

S10，按0.5-5g／L配比稱取膨脹石墨和二甲基甲酰胺DMF，把膨脹石墨放入DMF進行超聲1-4小時，得到石墨片溶液；?

S20，加入去離子水，去離子水與DMF的比例為1：1-1：9，攪拌均勻；?

S30，稱取四水合醋酸鈷，其中鈷為II價，四水合醋酸鈷相對于溶劑DMF的濃度為10-60g／L，將四水合醋酸鈷溶于溶劑，攪拌均勻；?