[發明專利]一種三維結構碳包覆鈷酸錳納米線材料及制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810677140.0
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108598448A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 張勇;吳瓊;孫毛寬;崔接武;王巖;劉家琴;吳玉程
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/50;H01M4/52;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 沈尚林

本發明公開了一種三維結構碳包覆結構鈷酸錳納米線材料的制備方法，具體步驟如下：以集流體為基底，六水合硝酸鈷和四水合硝酸錳為鈷源和錳源，以去離子水、尿素、氟化銨為溶劑，先采用水熱法合成鈷酸錳納米線前驅體，然后在氬氣中煅燒后得到鈷酸錳負極材料，最后通過化學氣相沉積，通入碳源氣體，在鈷酸錳納米線材料上包覆一層碳材料。本發明的三維結構碳包覆的鈷酸錳納米線材料比表面積較大，有利于電解液與活性物質的充分接觸和離子傳輸，增加了反應的活性位點，克服了鈷酸錳材料導電性差的缺點，用作鋰離子電池負極材料時，極大改善了電化學性能，緩解體積膨脹，增強了循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料制備技術領域，具體涉及一種三維結構碳包覆鈷酸錳納米線材料及制備方法和應用。

背景技術

近幾年鋰電池在便攜式電子設備、插電式混合動力汽車和其他電動汽車上的應用非常廣泛，人們對高能量的鋰電池需求越來越大。石墨有很強的電子導性，價格便宜，具有較高的存儲容量并且循環壽命長，但是石墨碳的理論質量比容量372mAh g^-1，容量相對較低的工業石墨負極已不能滿足下一代電源的要求，尋找新的可替代材料成了未來鋰電池負極材料發展的重要方向，因此，尋找高容量、高倍率、長循環壽命的新型負極材料已成為近年來的研究熱點。在這些負極材料中，二元金屬氧化物MnCo₂O₄因其理論含量高而被認為是一個很好的候選材料。但是目前制得的各種不同形貌的多元過渡金屬氧化物材料雖然具有較高的比容量，但其循環性能很差，衰減速度較快，極大限制了其應用。而三維結構碳包覆鈷酸錳納米線材料擁有較大比表面積，有利于電極材料與電解液接觸充分，減少電荷或離子在電解液和電極材料之間的擴散阻力，從而提高電極材料的電化學儲能性能。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種三維結構碳包覆鈷酸錳納米線材料及制備方法和應用，主要解決的技術問題為改善目前鈷酸錳材料在鋰電池負極材料應用上的循環穩定性差的問題。

為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種三維結構碳包覆結構鈷酸錳納米線材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)將集流體依次置于丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗，然后用質量分數為36～38％的濃鹽酸浸泡1～3h，再次置于體積分數5～10％的稀鹽酸、去離子水中超聲清洗，清洗完后放在冷凍干燥機中干燥；

(2)將硝酸鈷、硝酸錳、尿素和氟化銨加入去離子水中，攪拌得到澄清透明溶液；

(3)將步驟(1)處理后的集流體固定在反應釜內膽中，將步驟(2)中所得溶液移入水熱釜中進行水熱反應；

(4)將步驟(3)中所得產物洗滌、并在冷凍干燥機內真空干燥，使其形貌保持線狀，干燥后在快速升降溫爐中通入氬氣煅燒，冷卻后得到鈷酸錳納米線材料；

(5)將步驟(4)中所得產物放置在低溫區中，在快速升降溫爐中通入碳源氣體和保護性氣體，碳源氣體在煅燒高溫區發生高溫裂解，并在煅燒低溫區內進行包覆，從而得到三維結構碳包覆鈷酸錳納米線材料。

優選地，步驟(1)中所述的集流體為Cu、Ni、Ti中的一種。

優選地，步驟(2)中硝酸鈷、硝酸錳、尿素和氟化銨以2:1:6:(1～10)的摩爾比加入去離子水中，攪拌至澄清，得到的硝酸鹽溶液中過渡金屬鈷、錳離子的總濃度為0.5～2mol/L。

優選地，步驟(3)中水熱時間為6～10h，水熱溫度為90～130℃。

優選地，將步驟(4)中冷凍干燥機內真空干燥的具體條件如下：冷凍溫度為-80℃，冷凍時間為10～16h，干燥溫度為0～20℃，干燥時間為12～24h，從而保證形貌能夠保持線狀。