一种片状钴酸锌电极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种片状钴酸锌电极材料及其制备方法。该片状钴酸锌是由纳米颗粒组成，该材料的具体制备步骤为：将硝酸钴，硝酸锌，对苯二甲酸和PVP溶解于DMF中，搅拌形成均匀溶液；将上述均匀溶液进行水热反应，反应结束后,经离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱物；将得到的前驱物在空气氛围中煅烧，即得片状钴酸锌材料。本发明制备方法简单、易于操作、重复性好，该方法制备得到的片状钴酸锌厚度均匀、纯度高，制备的材料在锂离子电池电极材料领域有很好的应用前景。

权利要求

1.一种片状钴酸锌电极材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将硝酸钴，硝酸锌，对苯二甲酸和PVP溶解于DMF中，搅拌,形成均匀溶液；其中硝酸钴在溶液中的浓度为0.02‑0.08mol/L，硝酸锌在溶液中的浓度为0.01‑0.04mol/L，对苯二甲酸在溶液中的浓度为0.05‑0.20mol/L，加入PVP的浓度为12.5mg/mL；

（2）将步骤（1）得到的均匀溶液置于水热反应釜中密封，160‑200℃反应3‑24h，反应结束后,自然冷却至室温，经离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱物；

（3）将步骤（2）得到的前驱物在空气氛围中煅烧，400‑600℃煅烧1‑8h，冷却至室温即得片状钴酸锌；所述片状钴酸锌厚度为200‑300nm，由纳米颗粒组成，纳米颗粒的粒径为20‑

30nm。

2.根据权利要求1所述的一种片状钴酸锌电极材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的硝酸钴选自六水合硝酸钴，硝酸锌选自六水合硝酸锌。

3.根据权利要求1所述的一种片状钴酸锌电极材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的硝酸钴在溶液中的浓度为0.05mol/L，硝酸锌在溶液中的浓度为0.025mol/L，对苯二甲酸在溶液中的浓度为0.125mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种片状钴酸锌电极材料的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的均匀溶液置于水热反应釜中密封，180℃反应18h。

5.根据权利要求1所述的一种片状钴酸锌电极材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h。

说明书

一种片状钴酸锌电极材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于无机材料的制备及应用领域，具体涉及一种石墨烯包覆四氧化三铁复合电极材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长、环保性能好等优点，在现实生活中得到了广泛应用。为此，人们在不断探索低成本、高能量密度的新型电极材料。过渡金属氧化
物（TMOs）作为锂电池的负极材料，具有比石墨更高的理论比容量和更强的循环稳定性，引
起了广泛的关注。钴酸锌(ZnCo2O4)由于其资源丰富、电化学活性较高、热稳定性好、高理论
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比容量（975.2mAhg ）等优点成为目前科研工作者的研究热点。但是，在锂离子电池的应用
中，钴酸锌电极材料存在电导率低、容量衰减快、电极粉化等问题。

[0003] 为了解决以上问题，本发明通过水热法制备出二维纳米片结构的钴酸锌电极材料。钴酸锌纳米片结构不仅有利于电解液的渗透和扩散、便于锂离子的传输，而且还可以缓
解充电/放电过程中的体积变化。受益于这种纳米结构，钴酸锌电极材料具有高充放电比容
量，优异的循环性能和高倍率性能。

发明内容

[0004] 为了解决钴酸锌电极材料电导率低、容量衰减快、电极粉化等问题，本发明提供了一种片状钴酸锌电极材料及其制备方法。本发明制备方法简单、易于操作、重复性好。

[0005] 所述的片状钴酸锌电极材料，其特征在于片状钴酸锌厚度为200‑300nm，由纳米颗粒组成，纳米颗粒的粒径为20‑30nm。

[0006] 本发明提出的技术方案：

[0007] 一种片状钴酸锌电极材料及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：

[0008] （1）将硝酸钴、硝酸锌、对苯二甲酸和PVP溶解于DMF中，搅拌,形成均匀溶液；其中硝酸钴在溶液中的浓度为0.02‑0.08mol/L，硝酸锌在溶液中的浓度为0.01‑0.04mol/L，对
苯二甲酸在溶液中的浓度为0.05‑0.20mol/L，加入PVP的浓度为12.5mg/mL；

[0009] （2）将步骤（1）得到的均匀溶液置于水热反应釜中密封，160‑200℃反应3‑24h，反应结束后,自然冷却至室温，经离心分离出固体，洗涤，干燥，得到前驱物；

[0010] （3）将步骤（2）得到的前驱物在空气氛围中煅烧，400‑600℃煅烧1‑8h，冷却至室温即得片状钴酸锌。

[0011] 优选地，步骤（1）中所述的硝酸钴选自六水合硝酸钴，硝酸锌选自六水合硝酸锌。

[0012] 优选地，步骤（1）中所述的硝酸钴在溶液中的浓度为0.05mol/L，硝酸锌在溶液中的浓度为0.025mol/L，对苯二甲酸在溶液中的浓度为0.125mol/L。

[0013] 优选地，步骤（1）中所述PVP的浓度为12.5mg/mL。

[0014] 优选地，步骤（2）中所述的均匀溶液置于水热反应釜中密封，180℃反应18h。

[0015] 优选地，步骤（3）中所述的煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h。

[0016] 有益效果

[0017] （1）本发明制备方法简便易行，产物纯度高，适用于制备高质量电极材料。

[0018] （2）本发明所制备的钴酸锌纳米片厚度均匀，由纳米颗粒组成，有利于电解液的渗透和扩散，便于锂离子的传输。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例1制备的片状钴酸锌电极材料的扫描显微镜（SEM）照片；

[0020] 图2为本发明实施例1制备的片状钴酸锌电极材料的X‑射线衍射（XRD）图谱；

[0021] 图3为本发明实施例1制备的片状钴酸锌电极材料的循环寿命曲线；

[0022] 图4为本发明实施例1制备的片状钴酸锌电极材料的倍率性能图。

具体实施方式

[0023] 下面列举实施例对本发明进行说明,但本发明并不局限于这些实施例。

[0024] 实施例1

[0025] 将1mmol硝酸锌、2mmol硝酸钴、5mmol对苯二甲酸和0.5gPVP混合溶解于40ml的DMF中，搅拌30min得均匀溶液，将上述均匀溶液放入水热反应釜中密封,在180℃的条件下保温
反应18h,反应结束后自然冷却至室温；将得到的产物用DMF洗涤3次，8000r/min离心5min得
固体。将得到的固体60℃真空干燥,得前驱物。将得到的前驱物在空气氛围中500℃煅烧2h，
升温速率为5℃/min，即得片状钴酸锌材料。

[0026] 图1为本实施例制备的钴酸锌电极材料的扫描显微镜（SEM）照片，从图中可以看出，生成的钴酸锌呈片状结构，厚度分布均匀，约为1um；X射线衍射图（图2）证明了所合成的
钴酸锌为纯相。

[0027] 实施例2

[0028] 将0.4mmol硝酸锌、0.8mmol硝酸钴、2mmol对苯二甲酸和0.5gPVP混合溶解于40ml的DMF中，搅拌30min得均匀溶液，将上述均匀溶液放入水热反应釜中密封,在170℃条件下
保温反应24h,反应结束后自然冷却至室温；将得到的产物用DMF洗涤3次，6000r/min离心
5min得固体。将得到的固体60℃真空干燥,得前驱物。将得到的前驱物在空气氛围中400℃
煅烧8h，升温速率为5℃/min，即得片状钴酸锌材料。

[0029] 实施例3

[0030] 将1.6mmol硝酸锌、3.2mmol硝酸钴、8mmol对苯二甲酸和0.5gPVP混合溶解于40ml的DMF中，搅拌30min得均匀溶液，将上述均匀溶液放入水热反应釜中密封,在200℃条件下
保温反应3h,反应结束后自然冷却至室温；将得到的产物用DMF洗涤3次，7000r/min离心
10min得固体。将得到的固体60℃真空干燥,得前驱物。将得到的前驱物在空气氛围中600℃
煅烧1h，升温速率为5℃/min，即得片状钴酸锌材料。

[0031] 实施例4

[0032] 将1.2mmol硝酸锌、2.4mmol硝酸钴、6mmol对苯二甲酸和0.5g PVP混合溶解于40ml的DMF中，搅拌30min得均匀溶液，将上述均匀溶液放入水热反应釜中密封,在190℃条件下
保温反应12h,反应结束后自然冷却至室温；将得到的产物用DMF洗涤3次，8000r/min离心
10min得固体。将得到的固体60℃真空干燥,得前驱物。将得到的前驱物在空气氛围中500℃
煅烧4h，升温速率为5℃/min，即得片状钴酸锌材料。

[0033] 本发明制备的钴酸锌电极材料的性能评价方式：将本发明制备的钴酸锌、Super‑P导电炭黑和羧甲基纤维素钠分别按照8:1:1的比例充分研磨混匀，其中炭黑为导电剂，羧甲
基纤维素钠为粘结剂，加入去离子水并调成均匀浆料，涂覆Cu箔上，烘干，压实。在高纯氩气
(纯度大于99.99％)气氛的手套箱中组装成2025型扣式电池(H2O含量小于1ppm，O2含量小于
3ppm)，其中金属锂片作为负极。

[0034] 对钴酸锌材料制备的电极进行电化学性能测试，图3为本发明实施例1制备的钴酸‑1
锌电极材料在400mAg 电流密度下充放电曲线，从图中可发现，其首次放电比容量约为
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1143.0mAhg ，首次充电比容量约为926.8mAhg ；经过一段时间的活化后,容量保持稳定,
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60周循环后放电比容量高达1091.0mAhg ，且每次循环的库伦效率均大于99%。经过100周充
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放电循环后，放电比容量为1154.0mAhg ，表明材料具有优异的循环稳定性。为了进一步研
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究其倍率性能，分别测试了200‑3200mAg 电流密度条件下，材料的比容量变化规律。图4为
本发明实施例1制备的钴酸锌电极材料的倍率性能图。由图4可看出，在电流密度200‑
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800mAg 范围内，其比容量均保持较高值，当电流密度增大到1600mAg 时，比容量稍微下
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降，放电比容量为741.0mAhg ，继续恢复电流密度到200mAg ，其放电比容量又会迅速增加
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到844.7mAhg 。