[發明專利]一種鈷納米纖維鋰電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010596196.0
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111778585A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 李星;劉語舟
• 申請（專利權）人: 旌德君創科技發展有限公司
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F9/12;B82Y40/00;B82Y30/00;D01D5/00;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 陳明輝

本發明公開了一種鈷納米纖維鋰電池負極材料及其制備方法，本發明以4,4'?(1,3?丙二基)雙吡啶和鈷金屬離子配合金屬鈷離子鹽為主要原料，利用靜電紡絲技術和高溫燒結技術成功制備了鈷納米纖維，該納米纖維材料結構的穩定性高，比表面積大，其作為鋰離子電池材料，在電流密度為100 mA g^?1條件下充放電150圈循環之后，比容量仍大于380 mAh g^?1。在整個制備過程中，操作簡單，成本低廉，設備投資少，適合批量生產。

技術領域

本發明涉及鋰電池材料技術領域，尤其涉及一種鈷納米纖維鋰電池負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著人類社會的進步和發展，能源短缺和環境污染等問題日趨嚴重，世界各國開始意識到問題的嚴重性和緊迫性，解決問題的方法之一是大力開發太陽能、風能、地熱能、潮汐能等清潔可再生能源，但它們容易受到季節性、地域性、不穩定性等不可控因素的影響，極大的限制了它們的應用，因此研究穩定可靠的能源存儲轉化裝置成為了關鍵技術之一，電能存儲系統主要包括電池系統和超級電容器系統，目前，兩種儲能系統還不夠成熟，即使在充分開發的情況下仍不足以滿足新能源汽車的要求，電池系統的性能、循環壽命和安全性都需要進一步的研究，開發新的電極材料仍需要一代又一代科研工作者的努力。

金屬-有機骨架（MOFs）是由O. M. Yaghi等人（Journal of the AmericanChemical Society, 1995, 117, 10401-10402）于1995年首次定義的一類多孔材料，這種材料是由金屬離子和有機配體組裝而成，MOFs及其衍生物由于其高孔隙度、功能多樣、結構多樣和化學成分可控等優點，被廣泛應用于能源存儲和轉化裝置中，在過去的十幾年里，已經發現了兩萬多種MOFs（H. Furukawa et al, Science, 2013, 341, 1230444），MOFs材料及其衍生材料在鋰離子電池（LIBs）、鋰硫電池（LSBs）、鋰氧電池（LOBs）和鈉離子電池（SIBs）表現優異，其中在LIBs應用得比較成熟，LIBs是一種具有廣闊前景的電池，其本身質量輕、能量密度高、循環壽命長、工作溫度范圍寬、無記憶效應且對環境友好等優點逐漸成為普遍使用的儲能設備，成為了二次電池發展的重要方向，并且廣泛應用于電子產品、電動汽車和軍事航空航天等領域。傳統鋰電池石墨負極材料的理論比電容為372 mAh g^-1，其理論比容量低，反應動力學較差，在放電至較低電壓時會產生鋰枝晶，容易形成SEI膜，使科學家們在大力開發其他類型的材料。

納米材料是指晶粒尺寸為納米級（10^-9 nm）的材料，納米材料由于其獨特的表面效應，體積效應以及量子尺寸效應具有廣闊的應用前景。一維納米材料合成方法主要包括相轉移法、水熱法、靜電紡絲法、化學氣相沉積法、氣相蒸發法等方法，其中靜電紡絲技術是制備連續納米纖維最簡單有效的方法。靜電紡絲裝置主要包括三個部分：紡絲液供給系統、高壓裝置和纖維收集裝置，在電紡過程中，紡絲液的小液滴同時受到靜電場力和溶液表面張力作用，當兩者平衡時，在噴射頭處會形成三角錐型的泰勒錐（Taylor），當小液滴所受靜電場力大于表面張力時，小液滴會被拉伸成纖維狀并被纖維收集裝置收集起來，靜電紡絲纖維形貌主要受系統參數（如聚合物的分子量，前驅體溶液的電導率、黏度、介電常數），操作參數（如針頭的規格、電壓、流速、噴絲頭與收集板之間的距離），環境參數（如濕度、溫度等，紡絲纖維退火溫度、煅燒氛圍、升溫等）的影響。

中國發明專利CN107579238A公開了一種四氧化三鈷-FTO納米線鋰電池負極材料及制備方法。該專利采用氣紡絲法制備的具有表面微孔的納米纖維材料，在400 mA g^-1的電流密度下循環20次后，放電容量和充電容量分別為801 mAh g^-1和750 mAh g^-1，庫倫效率為93.63%。但該納米纖維材料的庫倫效率仍有待提高。

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術，提供一種鈷納米纖維鋰電池負極材料及其制備方法，該納米纖維材料的穩定性高，比表面積大，比容量高，充放電可逆性能好。