[发明专利]一种钴纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钴纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法，本发明以4,4'‑(1,3‑丙二基)双吡啶和钴金属离子配合金属钴离子盐为主要原料，利用静电纺丝技术和高温烧结技术成功制备了钴纳米纤维，该纳米纤维材料结构的稳定性高，比表面积大，其作为锂离子电池材料，在电流密度为100 mA g^‑1条件下充放电150圈循环之后，比容量仍大于380 mAh g^‑1。在整个制备过程中，操作简单，成本低廉，设备投资少，适合批量生产。

技术领域

本发明涉及锂电池材料技术领域，尤其涉及一种钴纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的进步和发展，能源短缺和环境污染等问题日趋严重，世界各国开始意识到问题的严重性和紧迫性，解决问题的方法之一是大力开发太阳能、风能、地热能、潮汐能等清洁可再生能源，但它们容易受到季节性、地域性、不稳定性等不可控因素的影响，极大的限制了它们的应用，因此研究稳定可靠的能源存储转化装置成为了关键技术之一，电能存储系统主要包括电池系统和超级电容器系统，目前，两种储能系统还不够成熟，即使在充分开发的情况下仍不足以满足新能源汽车的要求，电池系统的性能、循环寿命和安全性都需要进一步的研究，开发新的电极材料仍需要一代又一代科研工作者的努力。

金属-有机骨架（MOFs）是由O. M. Yaghi等人（Journal of the AmericanChemical Society, 1995, 117, 10401-10402）于1995年首次定义的一类多孔材料，这种材料是由金属离子和有机配体组装而成，MOFs及其衍生物由于其高孔隙度、功能多样、结构多样和化学成分可控等优点，被广泛应用于能源存储和转化装置中，在过去的十几年里，已经发现了两万多种MOFs（H. Furukawa et al, Science, 2013, 341, 1230444），MOFs材料及其衍生材料在锂离子电池（LIBs）、锂硫电池（LSBs）、锂氧电池（LOBs）和钠离子电池（SIBs）表现优异，其中在LIBs应用得比较成熟，LIBs是一种具有广阔前景的电池，其本身质量轻、能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、无记忆效应且对环境友好等优点逐渐成为普遍使用的储能设备，成为了二次电池发展的重要方向，并且广泛应用于电子产品、电动汽车和军事航空航天等领域。传统锂电池石墨负极材料的理论比电容为372 mAh g^-1，其理论比容量低，反应动力学较差，在放电至较低电压时会产生锂枝晶，容易形成SEI膜，使科学家们在大力开发其他类型的材料。

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10^-9 nm）的材料，纳米材料由于其独特的表面效应，体积效应以及量子尺寸效应具有广阔的应用前景。一维纳米材料合成方法主要包括相转移法、水热法、静电纺丝法、化学气相沉积法、气相蒸发法等方法，其中静电纺丝技术是制备连续纳米纤维最简单有效的方法。静电纺丝装置主要包括三个部分：纺丝液供给系统、高压装置和纤维收集装置，在电纺过程中，纺丝液的小液滴同时受到静电场力和溶液表面张力作用，当两者平衡时，在喷射头处会形成三角锥型的泰勒锥（Taylor），当小液滴所受静电场力大于表面张力时，小液滴会被拉伸成纤维状并被纤维收集装置收集起来，静电纺丝纤维形貌主要受系统参数（如聚合物的分子量，前驱体溶液的电导率、黏度、介电常数），操作参数（如针头的规格、电压、流速、喷丝头与收集板之间的距离），环境参数（如湿度、温度等，纺丝纤维退火温度、煅烧氛围、升温等）的影响。

中国发明专利CN107579238A公开了一种四氧化三钴-FTO纳米线锂电池负极材料及制备方法。该专利采用气纺丝法制备的具有表面微孔的纳米纤维材料，在400 mA g^-1的电流密度下循环20次后，放电容量和充电容量分别为801 mAh g^-1和750 mAh g^-1，库伦效率为93.63%。但该纳米纤维材料的库伦效率仍有待提高。

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种钴纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法，该纳米纤维材料的稳定性高，比表面积大，比容量高，充放电可逆性能好。