[發明專利]一種MOFs包覆高導電多壁碳納米管復合材料的制備方法及其在鉀離子電池中的應用

有效

• 申請號: 202110985444.5
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113437279B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 劉代伙;張爽;劉定毅;陳忠偉;楊林;白正宇
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M4/52;H01M10/054;B82Y30/00;C08G83/00;C01B32/168;C01G51/04;C01B32/05
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種MOFs包覆高導電多壁碳納米管復合材料的制備方法及其在鉀離子電池中的應用，利用簡單的室溫液相法制得一維線狀MOFs基復合材料前驅體粉末，然后在惰性氣氛中煅燒制得一維線狀高導電性的MWCNTs?CoO@C納米球復合材料，該方法制得的MOFs包覆高導電多壁碳納米管復合材料具有優越的儲鉀性能、高的導電性和結構穩定性，可用作高性能鉀離子電池的負極材料。制得的MWCNTs?CoO@C納米球復合材料的儲鉀機理為Co?O?C_x+3K⁺+3e^??Co+K₂O+KC_x。本發明制備方法簡單、綠色無污染、成本較低，易于大批量制備。

技術領域

本發明屬于鉀離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種MOFs包覆高導電多壁碳納米管復合材料的制備方法及其在鉀離子電池中的應用。

背景技術

近年來，嚴重的環境污染和能源危機的日益加劇使得開發大規模能量儲存電網系統越發重要。其中，鋰離子電池因其具有高能量密度等特性逐漸成為較有前景的儲能器件之一。然而，隨著鋰離子電池在日常生活中作為儲能器件的普及，鋰資源分布較少和較高成本問題制約了其未來的發展。相反，鉀離子電池因其資源分布較廣、成本較低引起了科研工作者的廣泛關注，隨著研究的發展被認為是未來高性能可充電電池研究的較為重要的選擇之一。因此，開展鉀離子電池的研究具有重要的學術和實際意義。

鉀離子的儲能性能在很大程度上取決于電極材料，新型電極材料的設計和制造已經引起了相當大的關注。但是傳統的石墨負極材料理論容量低（278mA h g^-1），對于下一代鉀離子電池來說是不能滿足的。因此，希望探索具有高容量和長期循環穩定性的新型低成本電極材料。目前，具有高理論容量的過渡金屬氧化物已被廣泛用作高性能鉀離子電池的負極材料。在過渡金屬氧化物中，鈷基氧化物（例如CoO）因其理論比容量高（715mA h g^-1）、低的電壓滯后（ 1V）和環境友好成為最有前景的鉀離子電池負極材料之一。

然而，與其它過渡金屬氧化物負極一樣，CoO負極也存在倍率能力差和循環穩定性差的問題，這是由于其固有的導電性差和充放電過程中大的體積膨脹導致的。到目前為止，已經設計和探索出了許多策略來解決上述CoO基負極的問題。一個有前途的策略是合成金屬氧化物和碳的混合結構，這可以提高一氧化鈷的電化學導電性并適應循環期間大的體積變化。

提升金屬氧化物儲鉀性能的另一個有效方法是將金屬有機骨架包覆高導電碳納米復合材料，多壁碳納米管（MWCNTs）作為一維納米材料，具有大的比表面積和很高的長徑比，且因范德華力和纏繞作用易造成團聚現象，此外，由于MWCNTs結構穩定表面活性低，很大程度上阻礙了它優點的應用，而將金屬氧化物在其表面沉積包覆會使MWCNTs表面形成均勻致密的鍍層，包覆后MWCNTs分散性會得到極大提高從而減少其團聚現象而發揮其大的比表面積和高導電性的優勢，促進電子傳輸，促進鉀離子傳輸并改善其電子遷移動力學，從而有效的增強該材料的電化學儲能性能。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種工藝簡單、反應條件溫和、成本低廉且反應效率較高的MOFs包覆高導電碳納米管復合材料的制備方法，該方法制得的MOFs包覆高導電碳納米管復合材料具有較為優越的儲鉀性能，能夠作為高性能鉀離子電池的負極材料。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種MOFs包覆高導電多壁碳納米管復合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：