CN107342413B - 一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法，包括：氯化亚铁、氯化钴、聚丙烯酰胺和去离子水加入到圆底烧瓶中，搅拌；磁力搅拌下将乙醇缓慢滴加入所得溶液中，加入氢氧化钠水溶液，磁力搅拌，离心；所得的固体真空干燥；置于箱式炉中高温煅烧，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子；本发明得到的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子分散性好，粒径均匀，结构稳定；使用本发明方法制备的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子具有容量大、循环性能好、使用寿命长等特点；500次充放电后（电流密度1 A/g）容量仍保持在1000 mAh/g以上。

Description

一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料及其应用技术领域，具体涉及一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于有高能量密度、高输出电压、无记忆效应和无环境污染等优点,得到越来越多的应用。不仅仅可以应用于各种便携式电子设备，在作为电动汽车动力电源和太阳能、风能等新能源的储能设备方面都有很大应用前景。目前商业化的锂离子电池广泛使用的负极主要是石墨类材料。但石墨理论容量低且有安全性问题，因此高理论容量、安全性好的新型负极材料得到越来越多的关注。氧化物负极材料具有理论容量高、循环性能好、安全性能高等优点（参考文献：P. Poizot, S. Laruelle, S. Grugeon, et al. Nano-sized transition-metal oxides as negative-electrode materials for lithium-ionbatteries. Nature2000, 407, 496; S. Mitra, P. Poizot, A. Finke, et al. Growthand Electrochemical Characterization versus Lithium of Fe3O4 Electrodes Madeby Electrodeposition. Adv. Funct. Mater.2006, 16, 2281; L. Li, A. Kovalchuk,H. Fei, et a1. Enhanced cycling stability of lithium-ion batteries usinggrapheme-wrapped Fe3O4 graphene nanoribbons as anode materials．Adv Energy Mater, 2015, 5, 1500171.），是替代石墨作为锂离子电池负极的理想材料，但导电性差、不可逆容量大和充放电前后体积变化大等问题制约其得到实际应用。研究表明，电极材料的纳米化和结构功能化认为是解决这些问题的有效方法，特别是多层结构纳米材料，可极大缓解体积变化，提高循环稳定性。同时纳米复合材料也是提高材料性能的一种有效方法，可提高材料导电性、改善材料表面电子分布，但是，现有合成方法得到的多层结构纳米材料大都为聚集态，分散性较差，这就在很大程度上减小了纳米化对电池性能的提高，不能完全体现纳米电极材料的特性，所以开发一种简单易行的方法，制备高分散性多层结构纳米粒子是一个具有挑战性的新课题。
发明内容
本发明提供了一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法，使用该方法制备的四氧二铁酸钴纳米粒子具有分散性好、比容量大、循环性能好、使用寿命长等特点。
一种四氧二铁酸钴纳米粒子，它是由下述方法制备的，包括：
1）氯化亚铁30~60 mg、氯化钴5~10 mg、聚丙烯酰胺10~20 mg和去离子水10~20 ml加入到100 ml圆底烧瓶中，搅拌；
2）磁力搅拌下将乙醇30~60mL缓慢滴加入步骤1）所得溶液中，加入1 M氢氧化钠水溶液50~200μL，磁力搅拌1~2h，5000 ~ 9000 rpm离心，时间8~10 min；
3）步骤2）所得的固体50~100oC真空干燥8~12h；置于箱式炉中，400 ~ 450℃煅烧2~3h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子；
所述的步骤1）中的氯化亚铁30mg、氯化钴5mg，聚丙烯酰胺10mg，去离子水10ml；步骤2）中的乙醇30mL，氢氧化钠水溶液50μL，磁力搅拌1h，7000 rpm离心，时间8 min；步骤3）50oC真空干燥8h，400℃煅烧2h；
所述的步骤1）中的氯化亚铁45mg、氯化钴7mg，聚丙烯酰胺15mg，去离子水15ml；步骤2）中的乙醇45mL，氢氧化钠水溶液100μL，磁力搅拌2h，5000 rpm离心，时间8 min；步骤3）75oC真空干燥10h，450℃煅烧3h；
所述的步骤1）中的氯化亚铁60mg、氯化钴10mg，聚丙烯酰胺20mg，去离子水20ml；步骤2）中的乙醇60mL，氢氧化钠水溶液200μL，磁力搅拌2h，9000 rpm离心，时间8 min；步骤3）100oC真空干燥12h，400℃煅烧2h。
一种四氧二铁酸钴纳米粒子在锂离子电池方面的应用。
本发明提供了一种四氧二铁酸钴纳米粒子及其制备方法，包括：氯化亚铁30~60mg、氯化钴5~10 mg、聚丙烯酰胺10~20 mg和去离子水10~20 ml加入到100 ml圆底烧瓶中，搅拌；磁力搅拌下将乙醇30~60mL缓慢滴加入所得溶液中，加入1 M氢氧化钠水溶液50~200μL，磁力搅拌1~2h，5000 ~ 9000 rpm离心，时间8~10 min；所得的固体50~100oC真空干燥8~12h；置于箱式炉中，400 ~ 450℃煅烧2~3h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子；本发明得到的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子分散性好，粒径均匀，结构稳定；使用本发明方法制备的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子具有容量大、循环性能好、使用寿命长等特点；500次充放电后（电流密度1 A/g）容量仍保持在1000 mAh/g以上。
附图说明
图1 多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子的透射电镜图；
图2 多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子的XRD谱图；
图3 多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子的充放电循环曲线。
具体实施方式
实施例1一种四氧二铁酸钴纳米粒子的制备方法
将30 mg氯化亚铁、5 mg氯化钴、10 mg聚丙烯酰胺和10 ml去离子水加入到100 ml圆底烧瓶中，搅拌混合均匀。在磁力搅拌下将30 mL乙醇缓慢滴加入上述溶液中。随后向溶液中加入50 μL 1 M氢氧化钠水溶液，磁力搅拌1 h，反应完成后进行离心分离（7000 rpm，8min），所得固体50 oC真空干燥8 h。将烘干后固体置于箱式炉中，在400 oC下煅烧2 h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子(见图1、2所示)。
实施例2一种四氧二铁酸钴纳米粒子的制备方法
将45 mg氯化亚铁、7 mg氯化钴、15 mg聚丙烯酰胺和15 ml去离子水加入到100 ml圆底烧瓶中，搅拌混合均匀。在磁力搅拌下将45 mL乙醇缓慢滴加入上述溶液中。随后向溶液中加入100 μL 1 M氢氧化钠水溶液，磁力搅拌2 h，反应完成后进行离心分离（5000 rpm，8 min），所得固体75 oC真空干燥10 h。将烘干后固体置于箱式炉中，在450 oC下煅烧3 h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子。
实施例3 一种四氧二铁酸钴纳米粒子的制备方法
将60 mg氯化亚铁、10 mg氯化钴、20 mg聚丙烯酰胺和20 ml去离子水加入到100ml圆底烧瓶中，搅拌混合均匀。在磁力搅拌下将60 mL乙醇缓慢滴加入上述溶液中。随后向溶液中加入200 μL 1 M氢氧化钠水溶液，磁力搅拌2 h，反应完成后进行离心分离（9000rpm，8 min），所得固体100 oC真空干燥12 h。将烘干后固体置于箱式炉中，在400 oC下煅烧2h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子。
实施例4 一种四氧二铁酸钴纳米粒子在锂离子电池方面的应用
根据上述实施例制备出的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子用于锂离子电池。以合成的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子为活性物质，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，氮甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂。电池的组装过程为：将活性物质、导电剂、聚偏氟乙烯按80:10:10的重量比准确称量，然后放入玛瑙研钵中充分混合、研磨均匀，然后加入几滴NMP，继续研磨至均匀浆状。将浆料均匀涂于已称量过的铜箔上。然后在真空干燥箱中于120oC真空干燥12 h至恒重，20 MPa下压片，再继续干燥至少2 h，降到室温后取出称重。
我们用实验半电池来测试合成材料的电化学性能，模拟电池的组装在无水无氧、充有氩气的手套箱中完成。将烘干的极片、电池壳和隔膜放入手套箱。以金属锂片为对电极，Celgard240聚丙烯多孔膜做隔膜，1.0 mol/L LiPF6 的EC-DMC（体积比1:1）溶液做电解液，组装成扣式CR2032模拟电池，进行充放电测试，结果见图3。实验表明所制备的多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子具有很高的比容量和较好的循环性能，分别在1000 mA/g和5000mA/g电流密度下，经500次循环后放电容量分别为1014 mAh/g和570 mAh/g，表现出超高的容量和循环稳定性。

Claims (5)

1.一种四氧二铁酸钴纳米粒子，它是由下述方法制备的，包括：
1）氯化亚铁30~60 mg、氯化钴5~10 mg、聚丙烯酰胺10~20 mg和去离子水10~20 ml加入到100 ml圆底烧瓶中，搅拌；
2）磁力搅拌下将乙醇30~60mL缓慢滴加入步骤1）所得溶液中，加入1 M氢氧化钠水溶液50~200μL，磁力搅拌1~2h，5000 ~ 9000 rpm离心，时间8~10 min；
3）步骤2）所得的固体50~100oC真空干燥8~12h；置于箱式炉中，400 ~ 450℃煅烧2~3h，得到多层结构四氧二铁酸钴纳米粒子。
2. 根据权利要求1所述的一种四氧二铁酸钴纳米粒子，其特征在于：所述的步骤1）中的氯化亚铁30mg、氯化钴5mg，聚丙烯酰胺10mg，去离子水10ml；步骤2）中的乙醇30mL，氢氧化钠水溶液50μL，磁力搅拌1h，7000 rpm离心，时间8 min；步骤3）50oC真空干燥8h，400℃煅烧2h。
3. 根据权利要求1所述的一种四氧二铁酸钴纳米粒子，其特征在于：所述的步骤1）中的氯化亚铁45mg、氯化钴7mg，聚丙烯酰胺15mg，去离子水15ml；步骤2）中的乙醇45mL，氢氧化钠水溶液100μL，磁力搅拌2h，5000 rpm离心，时间8 min；步骤3）75oC真空干燥10h，450℃煅烧3h。
4. 根据权利要求1所述的一种四氧二铁酸钴纳米粒子，其特征在于：所述的步骤1）中的氯化亚铁60mg、氯化钴10mg，聚丙烯酰胺20mg，去离子水20ml；步骤2）中的乙醇60mL，氢氧化钠水溶液200μL，磁力搅拌2h，9000 rpm离心，时间8 min；步骤3）100oC真空干燥12h，400℃煅烧2h。
5.权利要求1所述的一种四氧二铁酸钴纳米粒子在锂离子电池方面的应用。
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