[發(fā)明專利]一種雙層碳包覆鈷基/鈷基硫?qū)購(gòu)?fù)合電極材料、制備方法、應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110897576.2
• 申請(qǐng)日: 2021-08-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113793932B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段軍飛;閆天賜;王永康;陳召勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)沙理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;C01B32/05;C01B32/16;C01B32/168;C01B19/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 四川力久律師事務(wù)所 51221
• 代理人: 劉雪蓮

本發(fā)明公開(kāi)了鋰電池技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的一種雙層碳包覆鈷基/鈷基硫?qū)購(gòu)?fù)合電極材料、制備方法、應(yīng)用。本發(fā)明金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔锬軌蛟慌c碳納米管和非晶形碳結(jié)合，通過(guò)無(wú)機(jī)?有機(jī)雜化前驅(qū)體熱解產(chǎn)生的揮發(fā)性金屬鋅和三聚氰胺發(fā)揮協(xié)同作用；金屬鋅的揮發(fā)有效抑制了三聚氰胺低溫下產(chǎn)生的g?Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;完全分解，進(jìn)而在鈷基復(fù)合材料表面生成更多的非晶形碳。提高電導(dǎo)率，防止活性材料與電解液直接接觸，有效緩解充放電過(guò)程中體積膨脹以保持結(jié)構(gòu)完整性，從而提高CoSesubgt;2/subgt;的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及雙層碳包覆鈷基/鈷基硫?qū)購(gòu)?fù)合電極材料、制備方法、應(yīng)用。

背景技術(shù)

化石能源的廣泛使用不可避免地帶來(lái)環(huán)境污染和資源枯竭等問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)高效的綠色可持續(xù)能源存儲(chǔ)設(shè)備成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，鋰離子電池(LIBs)由于其具有環(huán)保和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備中；然而，理論容量低、高電流密度下性能差的商用石墨陽(yáng)極，不能滿足電動(dòng)汽車快速增長(zhǎng)的要求。

目前過(guò)渡金屬硒化物及其硫化合物，憑借其高反應(yīng)活性和優(yōu)異的電池性能引起了越來(lái)越多的關(guān)注。其中，具有高電導(dǎo)率和高容量的金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔飶?fù)合材料可作為一種很有前途的陽(yáng)極材料。然而，與其他轉(zhuǎn)換型陽(yáng)極類似，循環(huán)過(guò)程中劇烈的體積變化和緩慢的動(dòng)力學(xué)阻礙了高性能鋰存儲(chǔ)特性的實(shí)現(xiàn)。

為盡早實(shí)現(xiàn)過(guò)渡金屬硒化物及其硫化合物在負(fù)極材料中的大規(guī)模應(yīng)用，目前研究者們就如何減緩電化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的巨大體積變化和提高動(dòng)力學(xué)過(guò)程等方面提出了諸多改進(jìn)技術(shù)方案。目前，用碳質(zhì)材料設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)和涂層，取得了重大進(jìn)展。在這兩種方案中，將金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔锱c各種導(dǎo)電碳(如碳納米管、空心球和石墨烯)結(jié)合進(jìn)行了廣泛的研究，可以提高電導(dǎo)率，減輕體積膨脹以保持結(jié)構(gòu)完整性，防止與電解質(zhì)直接接觸，從而提高金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔镫姌O材料的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

近年來(lái)，鈷基金屬-有機(jī)框架(MOFs)具有固有的較大的比表面積、充足的孔隙率、可調(diào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和金屬離子與配體之間的強(qiáng)大相互作用，被認(rèn)為金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔飶?fù)合材料合成的一個(gè)很好的前體，但基于金屬鈷/鈷基硫?qū)倩衔锏膹?fù)合材料仍然面臨著克服結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的充放電循環(huán)過(guò)程中劇烈的體積變化、結(jié)構(gòu)不不完整的不足，提供一種雙層碳包覆鈷基復(fù)合電極材料及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種雙層碳包覆鈷基復(fù)合電極材料，所述復(fù)合電極材料為核殼結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)核和外殼，所述內(nèi)核為鈷金屬納米顆粒，所述外殼為碳包覆層，所述碳包覆層包括碳納米管和由g-C₃N₄生成的非晶形碳層。

本發(fā)明制備的為氮摻雜碳/碳納米管雙層碳包覆的鈷基復(fù)合電極材料，鈷基納米顆粒能夠均勻的分散在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多孔碳納米管上，同時(shí)，其中在原有碳納米管的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步增加由g-C₃N₄生成的非晶形碳，從而使碳包覆層的彈塑應(yīng)變性增強(qiáng)，使得該鈷基復(fù)合電極材料的電導(dǎo)率有了極大的提升，且能有效的抑制鈷納米顆粒在充放電過(guò)程中的體積發(fā)生劇烈變化，保持其結(jié)構(gòu)的完整性，顯著的提高了其作為鋰離子電池材料的儲(chǔ)鋰性能。

一種雙層碳包覆鈷基復(fù)合電極材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：將鈷鹽、鋅鹽溶于水中，攪拌均勻后加入2-甲基咪唑溶液，攪拌、離心分離得到沉淀物，干燥，得無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化前驅(qū)體；

步驟二：將步驟一所得的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化前驅(qū)體和三聚氰胺分散于溶劑中，攪拌混勻后，離心收集沉淀樣品；

步驟三：將步驟二所得的沉淀樣品，加熱至800℃并保溫1-3h，冷卻至室溫后，即得雙層碳包覆鈷基復(fù)合電極材料。