[发明专利]普鲁士蓝类纳米多孔框架材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及高性能锂电负极材料用普鲁士蓝类纳米多孔框架材料的制备方法和应用。

背景技术

随着移动电子设备、电动汽车和电网规模储能系统的广泛使用，当前迫切需要发展高效率、安全大容量的能源存储应用技术。相比已有其它能源存储技术中，由于其能量密度高、维护简单、循环寿命长、重量轻等优势，二次锂离子电池(lithium-ion batteries，LIBs)近年来引起全世界的广泛关注。然而，目前的锂离子电池技术的成熟度仍然不够。因此，需要拓展新的电池化学，特别是电池的关键材料，如电极材料，以确保大规模、低成本和长期的商业化应用。

金属有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)，是一种新的多孔结晶混合材料，由供电子有机配体连接无机(金属离子或金属离子簇)顶点而形成。由于其高的比表面积、可控的结构、可调的孔径，结合低的框架密度和高的稳定性，在过去的二十年里已成为一个迅速发展的研究领域，吸引了许多科学家的广泛研究兴趣。在清洁能源如氢能源、燃料电池、锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景，是一个非常好的能源材料。MOFs内部的金属离子的氧化还原可以提供一个电子传输途径。另外，开放的框架晶体结构允许高度可逆的插入和提取带有水或有机电解质的离子。自从Tarascon等人第一个报告MOFs作为充电电池电极材料以来，该研究正在不断扩展并引起广泛兴趣。特别地，普鲁士蓝及其类似物(Prussian blue and its analogues,PBAs)，由于原料价廉易得、结构稳定、形貌均一、三维孔道结构具有较高的比表面积等优势，使其成为一类非常好的电池候选材料。在锂离子电池研究领域，PBAs主要作为正极材料的研究比较多，如最近由Asakura等人报道的二元和三元普鲁士蓝复合材料作为锂离子电池正极材料能克服了有限的容量和循环稳定性的缺点，展现出好的电化学性能。相比而言，普鲁士蓝类配合物(PBAs)作为锂离子电池的负极材料涉及较少。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题，就是提出一种普鲁士蓝类纳米多孔框架材料的制备方法及应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种普鲁士蓝类纳米多孔框架材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)在室温环境下，配制A溶液：将0.2～1mmol的Co(CH₃COO)₂·nH₂O和0.2～2g的聚乙烯吡咯烷酮溶于20ml蒸馏水中；

(2)配制B溶液：将0.1～1mmol的K₃[Mn(CN)₆]溶于10ml蒸馏水中；

(3)将B溶液用注射器滴加到A溶液中，磁力揽拌后，静置24小时；

(4)离心分离获得白色混合溶液经过20ml去离子水和乙醇的混合液离心清洗4～5遍后得到白色沉淀物Co₃[Mn(CN)₆]₂·nH₂O纳米颗粒，烘干即可。

作为优选地，所述步骤(4)的混合液中去离子水和乙醇的体积比为1:1。

本发明还提出了上述方法制得的普鲁士蓝类纳米多孔框架材料在作为高性能锂电池的负极材料中的应用。

本发明是利用普鲁士蓝类配合物具有三维通道的开放框架结构、高稳定性和可调控的纳米形貌特征，采用简单的沉淀法一步制备Co₃[Mn(CN)₆]₂·nH₂O配合物，作为锂电负极材料展示了非常好的电化学性能。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、该纳米方块形普鲁士蓝类电极材料原料来源丰富、价廉，制备工艺简单，产率高；形貌和粒径大小易于调控；材料制备的成本低，产品市场竞争力强。

2、可逆比容量大与循环稳定性好。该普鲁士蓝类电极材料具有的三维多孔开放框架结合小尺寸的纳米颗粒效应能有效缓解充放电过程中负极材料的体积变化，有利于充放电过程中电解液的渗透和锂离子的输送，提高材料可逆比容量与循环稳定性。

3、普鲁士蓝类电极材料的二元金属化，使各自独特的物理和化学性能在提高电极材料的电化学性能方面起到协同互补作用。

附图说明