[發明專利]一種三氧化鉬原位包覆摻氮碳納米管復合電極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410135827.3
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103904293A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 崔艷華;張輝;劉效疆;劉昊
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36;H01M4/62;H01M4/131;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 龔燮英

技術領域

本發明涉及電化學領域，尤其涉及的是一種三氧化鉬原位包覆摻氮碳納米管復合電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

能源、信息和材料是現代社會發展的三大支柱，近年來隨著社會經濟的不斷發展，能源短缺已經成為制約經濟發展的主要因素，而同時引發的環境污染問題也越來越受到重視。為了推動可持續發展，必須大力發展各類新的綠色能源。而鋰離子電池作為上世紀末發展起來的一種高效安全、無污染的新型綠色能源受到了人們的廣泛關注。與傳統的鉛酸電池、鎳氫（鎘）電池相比，鋰離子電池具有開路電壓高、循環壽命長、比能量高、自放電小、無污染、無記憶效應等優點，從而成為人們研究的熱點并且已經被廣泛的應用到移動電話、筆記本電腦、移動電子終端、航空航天、軍事等各個領域。

商業上廣泛應用的鋰離子電池正極常用鈷酸鋰，負極常用石墨。作為負極材料，石墨的理論容量為372mAh/g，而實際容量已經達到了360mAh/g；正極材料鈷酸鋰的理論的比容量為274mAh/g，由于實際上在充電時正極的脫鋰量超過0.5時，LiCoO₂晶胞會發生由三方晶系向單斜晶系的不可逆轉化，從而使鋰離子的可逆脫嵌受到影響，嚴重影響其循環性能，所以實際比容量只有140mAh/g左右。對于負極材料石墨其容量已經接近理論容量，而正極材料鈷酸鋰的容量只有理論容量的一半。我們注意到，鋰離子電池的比容量低主要受限于正極材料比容量和負極材料比容量的嚴重不匹配問題。在負極材料石墨比容量已經達到較高的情況下，為了進一步提高鋰離子電池的實際比容量，提高正極材料的比容量是關鍵。而已經成熟的正極材料鈷酸鋰的比容量受限于其晶體結構在脫鋰量超過0.5時LiCoO₂晶胞的不可逆轉化，比容量的進一步提升將會嚴重影響其循環性能。因此開發一種新型的可以取代鈷酸鋰的正極材料顯得尤為重要。

與多孔材料相比，碳納米管不僅同樣具有比表面積大的優點，而且不像多孔碳材料那樣，很多表面無法參加反應，因此，碳納米管在鋰離子電池中有著廣泛的應用空間。氮摻雜作為一種調節碳材料結構及性能的有效手段，可以使碳納米管表面活性增強，有利于與金屬氧化物的復合，并且提高導電性。目前關于無機物質包覆碳納米管的國內外報道的主要方法是溶膠凝膠法、化學沉淀法、水熱或溶劑熱法等。如，利用溶膠凝膠法將氧化鋁包覆到碳納米管上的報道，但這種方法能包覆的材料范圍有限，而且反應時間較長。三氧化鉬作為鋰離子電池正極材料的研究也有報道，然而，用電化學沉積法制備三氧化鉬原位復合在摻氮碳納米管上作為一種復合正極材料應用于鋰離子電池中的研究尚未見報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供了一種三氧化鉬原位包覆摻氮碳納米管復合電極材料及其制備方法和應用。

本發明的鋰離子電池復合正極材料是在摻氮碳納米管上原位復合活性材料三氧化鉬。“原位復合”具體指的是在摻氮碳納米管表面原位反應生成三氧化鉬?！霸粡秃稀笔沟脫降技{米管、三氧化鉬和基底泡沫鎳三者共同形成的復合材料能在宏觀上保持多孔結構，而在納米尺度保持三維結構，并且將這種一體化設計的復合電極用于鋰離子電池正極。

本發明的技術方案如下：

一種三氧化鉬原位包覆摻氮碳納米管復合電極材料的制備方法，其步驟如下：

（1）泡沫鎳預處理

將泡沫鎳置于丙酮中超聲，用蒸餾水洗滌，然后再用乙醇超聲，用蒸餾水洗滌；

（2）用化學氣相沉積法在泡沫鎳基底上生長摻氮碳納米管

稱取二茂鐵（分析純）100mg和三聚氰胺（分析純）1g，將其混合后在研缽中充分研磨至混合均勻；將（1）中處理后的泡沫鎳置于載物臺，放入反應倉恒溫區，升溫過程通Ar作為保護氣，Ar流量為80cm³/min，乙烯作為碳源，達到設定溫度850℃后，將二茂鐵和三聚氰胺的混合物緩緩加入反應倉，得到泡沫鎳和摻氮碳納米管的復合結構；

（3）用電沉積法將三氧化鉬原位復合于摻氮碳納米管上

將4ml體積分數為30%的過氧化氫溶液緩緩加入1g鉬粉中，在室溫下發生放熱反應，待放熱反應完成后，加入50ml去離子水稀釋，然后靜置12小時，將其作為電鍍液；以（2）中制得的泡沫鎳和摻氮碳納米管的復合結構作為工作電極，Pt作為對電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，在電鍍液中進行恒壓電沉積；

（4）退火

將（3）中沉積反應得到的鉬的化合物和摻氮碳納米管的復合材料在管式爐中退火，得到三氧化鉬原位包覆摻氮碳納米管復合電極材料。