[发明专利]一种钴基金属有机框架材料的制备方法及应用

说明书

本发明属于金属有机框架材料领域，涉及一种钴基金属有机框架材料的制备方法及应用。将钴盐、氯冉酸和N,N‑二甲基甲酰胺水溶液混合搅拌均匀后，进行加热，然后冷却、洗涤，得到[Cosubgt;3/subgt;(HCOO)subgt;6/subgt;]subgt;n/subgt;。本发明提供的方法简单，将[Cosubgt;3/subgt;(HCOO)subgt;6/subgt;]subgt;n/subgt;作为负极材料应用于锂离子电池时，表现出高比容量和好的循环稳定性。在电流密度为100 mA/g时，首次充、放电容量分别为1000、1800 mAh/g，经150次充放电循环后，其比容量稳定在720 mAh/g左右，库伦效率为98.7%。在500 mA/g下循环500周，容量保持在600 mAh/g左右。同时在不同的倍率下，也表现出较好的倍率性能。

技术领域

本发明属于金属有机框架材料领域，涉及一种钴基金属有机框架材料的制备方法及应用。

背景技术

近年来，随着科技和社会的迅猛发展，化石能源和自然资源日益枯竭，给人类生活带来了巨大的影响。为解决能源和环境问题，人类必须寻找绿色的可再生能源，实现绿色可持续发展。化学电源作为具有代替化石能源潜力的新型能源，具有性能优异，使用方便，便于携带等优点。在常用的化学电源中，锂离子电池具有能量密度高、电压高、循环寿命长、自放电小、维护成本低和环境友好等优点，可以作为便携式电子器件，在电动汽车、混合型电车、智能电网等领域表现出了巨大的应用潜能。

电极材料的研发与制备是锂离子电池领域的核心技术，开发高性能的锂离子电池负极材料尤为关键。石墨类碳材料具有良好的循环性能，但是也存在理论容量低以及锂离子在碳材料中扩散速率慢等问题。目前，对碳材料容量的开发已接近理论值，限制了碳材料的发展。金属氧化物作为负极材料具有适宜的电压平台以及较高的比容量，其储锂性能正在被人们广泛研究，但是其较低的电子导电率、在电化学过程中存在明显的体积膨胀以及电压滞后等问题严重影响了锂离子电池的循环稳定性及倍率性能。

金属有机框架材料（MOFs）是近年来发展起来的新型多孔材料，是通过金属簇或离子与合适的有机配体之间的配位反应合成的，具有高孔隙率、大比表面积和易于改变形貌等特点。不但具有无机材料的结构稳定性，还兼具了有机材料结构丰富、新颖、可调控等优点，具有非常好的研发潜力。金属有机框架合成步骤简单，成本低，电化学窗口可控，可以与金属锂发生氧化还原反应，具有储锂活性。因此结构上具有氧化还原电对的金属有机框架，可广泛用作锂离子电池电极材料，具有良好的应用前景。如江恒等研究了Co₃(HCOO)₆@rGO作为锂离子电池负极材料的一些内容，其中提到了钴基金属有机框架材料的制备方法，将溶解有3.00 g的Co(NO₃)₂·6H₂O的25 mL甲醇溶液倒入溶解有2.27 g的88%甲酸水溶液和2.00g三乙胺的25 mL甲醇溶液摇匀，静置过夜离心分离并用甲醇清洗沉淀物，于120 ℃真空烘干获得产物。其制备的Co₃(HCOO)₆在100 mA/g电流密度下进行5次充放电循环后再以500mA/g的电流密度进行恒流充放电，循环10周以后，放电容量为329 mAh/g，循环100周后比容量为402 mAh/g。（江恒, 范镜敏, 郑明森,等.Co₃(HCOO₎₆@rGO作为锂离子电池负极材料的研究[J]. 电化学, 2018, 24(3):9.）。然而，具有高容量、高循环稳定性的金属有机框架锂离子电池电极材料目前仍需要改进与探索。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种钴基金属有机框架材料的制备方法及应用。其制备方法具有操作简单的优点；将钴基金属有机框架材料[Co₃(HCOO)₆]_n，作为负极材料应用于锂离子电池领域时，表现出高的比容量和好的循环稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：