[發明專利]鋰離子電池負極用硼酸鈷／石墨烯復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201911179924.1
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN111029570B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 周寧芳;秦偉;吳春;賈傳坤
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/19;C01G51/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種適用于鋰離子電池負極的硼酸鈷/石墨烯復合材料及制備方法。該復合材料為納米棒結構硼酸鈷鑲嵌在褶皺的石墨烯內部，硼酸鈷所占的質量百分數為10％～95％。首先將水溶性鈷鹽以及十水四硼酸鈉溶于去離子水，之后加入氧化石墨烯溶液，在水熱反應條件下控制溫度和反應時長，氧化石墨烯采用化學方法合成；最后將所獲得的沉淀離心洗滌干燥，獲得鋰離子電池負極用的硼酸鈷/石墨烯復合材料。本發明的復合材料用作鋰離子電池負極時，具有比容量高、循環性能好、倍率性能優良及循環壽命長等優點；其制備方法簡單、成本低廉，易于實現工業規模化生產。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種適用于鋰離子電池負極的硼酸鈷/石墨烯復合材料及制備方法。

背景技術

自20世紀90年代初產生了商業化的鋰離子電池，鋰離子電池逐漸進入人們的視野，如今已成為人們生活中不可或缺的一部分。作為最具發展潛力的儲能器件之一，對鋰離子電池的研究仍然是一個炙手可熱的課題。從鋰離子電池的發展來看，鋰離子電池的電化學性能主要取決于所用電極材料的結構和性能。其中負極材料的應用正面臨著種種問題，亟待開發高效安全的新材料來取代最初的碳電極材料。

近年來，過渡金屬硼酸鹽，因其在能量轉換方面的潛在應用得到廣泛關注。然而，目前鮮有關于硼酸鈷作為鋰離子電池負極材料的研究報道，且由于硼酸鈷導電性差，在循環過程中對電極材料的破壞和容量的衰減嚴重。解決這一問題很重要的方法就是將材料顆粒大小減小至納米尺寸或者與一些良好的導電材料構筑復合材料。電極材料的納米化可以減小鋰離子的擴散距離，而與導電材料的復合則可以增加材料的導電性，進而促進電子傳輸，同時可以起到緩解鋰離子嵌入過程中的體積膨脹效應，進而可以改善電池的電化學性能。

石墨烯是人們制備出的第一種可獨立存在的單原子層厚度材料。自2004年英國University?of?Manchester的Novoselov等使用機械剝離法制備出單層石墨烯以來，關于石墨烯的研究吸引了研究人員的極大關注。由于石墨烯具有獨特的能帶結構，故而表現出了很多迥異于常規材料的反常特性。同時，相比其它碳材料同素異構體，石墨烯在以下方面擁有明顯優勢：比表面積、電導率、熱導率以及硬度。在電極材料中引入石墨烯，一般起到以下幾個方面作用：(1)增加電極材料的比表面積，從而增加電解液與活性物質的接觸面積，提高鋰離子的傳輸效率進而提高整個電池性能；(2)形成多孔導電網絡，提高電極材料導電性從而降低電荷轉移電阻；(3)緩解鋰離子在電極材料中脫嵌過程中出現的體積膨脹效應。因此，硼酸鈷/石墨烯復合材料作為鋰離子電池負極材料可展現出可預期的良好性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鋰離子電池負極用的硼酸鈷/石墨烯復合材料及制備方法，通過簡易溶劑熱法制備出一種鋰離子電池負極用的硼酸鈷/石墨烯復合材料，該方法具有操作簡單、產率高、成本低廉等優勢。該材料用作鋰離子電池負極材料時，表現出優異的電化學性能。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鋰離子電池負極用硼酸鈷/石墨烯復合材料，該復合材料為納米棒結構硼酸鈷鑲嵌在褶皺的石墨烯內部，硼酸鈷所占的質量百分數為10％～95％。

所述的鋰離子電池負極用硼酸鈷/石墨烯復合材料，優選的，硼酸鈷所占的質量百分數為15％～50％。

所述的鋰離子電池負極用硼酸鈷/石墨烯復合材料的制備方法，首先將水溶性鈷鹽以及十水四硼酸鈉溶于去離子水，之后加入氧化石墨烯溶液，在水熱反應條件下控制溫度和反應時長，氧化石墨烯采用化學方法合成；最后將所獲得的沉淀離心洗滌干燥，獲得鋰離子電池負極用的硼酸鈷/石墨烯復合材料。

所述的鋰離子電池負極用硼酸鈷/石墨烯復合材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)采用改性Hummer法制備氧化石墨烯；