[發(fā)明專利]基于陰離子吸附合成的多殼層金屬氧化物空心球及其制備方法和用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610066853.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105762349B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王丹;王江艷;毛丹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
• 主分類號(hào): H01M4/48
• 分類號(hào): H01M4/48;H01M10/0525;C01G31/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟;侯瀟瀟

本發(fā)明涉及基于陰離子吸附合成的多殼層金屬氧化物空心球及其制備方法和用途。本發(fā)明是利用水熱法制備的碳球作為模板，通過(guò)將碳球模板均勻分散于金屬陰離子鹽溶液中，并進(jìn)一步高溫焙燒得到具有多殼層結(jié)構(gòu)的金屬氧化物空心球；采用該方法制備的空心球，其殼層數(shù)可在二到五層之間調(diào)變，尺寸及殼壁厚度可控，有效集合了低維納米材料以及三維空心結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域，表現(xiàn)出了優(yōu)越于納米片或者單殼層空心球的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多殼層金屬氧化物空心球及其制備方法和用途，尤其涉及一種基于陰離子吸附合成的多殼層金屬氧化物空心球及其制備方法和用途。

背景技術(shù)

目前，多殼層空心微米/納米結(jié)構(gòu)具有比表面積大、負(fù)載量高、密度輕、內(nèi)部空腔以及由低維納米顆粒或者納米棒構(gòu)成的殼壁等特點(diǎn)，因而在很多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了廣泛使用，比如藥物緩釋、催化、傳感、水污染治理、納米反應(yīng)器以及儲(chǔ)能系統(tǒng)等。其中，多殼層金屬氧化物空心球用作鋰離子電池電極材料，不僅電極材料與電解液接觸面積大、鋰離子儲(chǔ)存位點(diǎn)多，從而提高比容量高，而且內(nèi)部空腔可以緩沖體積膨脹以及結(jié)構(gòu)張力和應(yīng)力，從而提高循環(huán)穩(wěn)定性。此外，鋰離子和電子傳輸距離短，反應(yīng)活性高，從而提高鋰離子電池的大電流放電能力。

目前，多殼層氧化物空心球的制備方法主要有軟模板法和硬模板法兩種。對(duì)于軟模板法，目前已有文獻(xiàn)中報(bào)道了利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨制備Cu₂O多殼層空心球(Angewandte Chemie-International Edition,2007,46:1489-1492)或者利用FC4和F127樹(shù)脂自組裝形成的囊泡為軟模板制備SiO₂多殼層空心球(Journal MaterialChemistry,2010,20:4595-4601)。但是，這些軟模板法一般只適用于上述文獻(xiàn)涉及到的特定化合物多殼層空心球的制備，難以應(yīng)用到其他氧化物多殼層空心球的制備。

硬模板法通常采用聚苯乙烯(PS)球、二氧化硅球或者碳球等作為模板。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道了以PS球?yàn)槟０澹⒉捎脻饬蛩釋?duì)PS球表面進(jìn)行磺化，修飾一層SO^3-H⁺離子，再吸附Ti前驅(qū)體，并經(jīng)高溫煅燒得到了TiO₂雙殼層空心球(Angewandte Chemie-InternationalEdition,2005,44,6727-6730)。然而這種合成方法工序復(fù)雜、制備流程長(zhǎng)，而且得到的空心球的殼層數(shù)有限(不超過(guò)3層)。

目前還有文獻(xiàn)報(bào)道了利用帶負(fù)電的碳球?yàn)槟０澹ㄟ^(guò)靜電作用吸附金屬陽(yáng)離子，最后通過(guò)一步煅燒法去除碳球模板，即可得到多殼層空心球(X.Y.Lai,J.Li,B.A.Korgel,Z.H.Dong,Z.M.Li,F.B.Su,J.Du,D.Wang.Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50:2738-2741)；CN102464304A同樣公開(kāi)了采用上述方法制備得到的多殼層金屬氧化物空心球；CN103247777A也公開(kāi)了采用金屬陽(yáng)離子，具體為四氧化三鈷與帶負(fù)電的碳球進(jìn)行吸附來(lái)制備四氧化三鈷多殼層空心球負(fù)極材料。然而，由于很多金屬離子前驅(qū)體通常以陰離子形式(比如VO^3-、MnO₄^2-、MoO₄^2-、CrO₄^2-、W₇O₂₄^6-等)存在的，雖然在低pH值下能以陽(yáng)離子形式存在，但是碳球模板所帶負(fù)電荷會(huì)隨著pH值降低而迅速減少，從而導(dǎo)致金屬陽(yáng)離子的吸附量十分有限，難以合成出具有多殼層的金屬氧化物空心結(jié)構(gòu)。

因此，如何提供一種具有廣泛普適性并具有更大的比表面積，能使電極材料與電解液接觸更好、鋰離子儲(chǔ)存位點(diǎn)更多，提高比容量的多殼層金屬氧化物空心結(jié)構(gòu)已成為目前亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容