一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法及其应用与流程

本发明属于硫化物纳米材料技术领域，具体涉及一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法及其应用。

背景技术：

随着电动车和智能电网的推进，锂资源短缺的问题日益突出，并且价格急剧增长。仅仅对锂资源进行回收不足以应对市场的巨大需求。与锂相比，钠储量丰富、分布广泛、成本低廉，并且作为相邻的碱金属元素，与锂具有相似的理化性质，钠离子电池近年来得到广泛关注。

虽然钠离子电池具有潜在的应用价值，但是钠离子半径大于锂离子，使得钠离子电池动力学缓慢，且在充放电过程中体积变化较大。因此，设计并开发合适的钠离子电池负极材料尤为重要。

硫化钴是一种基于转换反应的负极材料，理论容量较大，是一种非常有前景的储钠材料。然而，硫化钴充放电循环过程中容易造成体积变化引起的粉化和结构坍塌等问题，从而使硫化钴的循环性能和倍率性能无法满足商业化的需求。

研究表明，电极材料的结构对钠离子电池的性能影响颇大。目前广泛制备得到的硫化钴主要是球状结构，有效的设计材料结构(如微纳结构)来改善这类材料的电化学性能，是十分重要的研究方向。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法简单、能耗低，所制得的具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴体现出优异的储钠性能。

本发明采用的技术方案是：一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将cocl2·6h2o加入到乙二胺中，搅拌溶解，得到混合溶液a；

2)在步骤1)所得混合溶液a中，加入硫代乙酰胺，搅拌溶解，得到混合溶液b；

3)将步骤2)所得混合溶液b转移到反应釜中反应；

4)将步骤3)所得的产物分离洗涤干燥，即得到三维环状微纳结构的硫化钴。

具体的，步骤1)所述混合溶液a中的co²⁺的浓度为0.07～0.17mol/l。

具体的，步骤2)所述混合溶液b中co²⁺与硫代乙酰胺的摩尔浓度比为0.26～0.63。

具体的，步骤3)所述反应釜中反应的条件为180℃、24～72h。

具体的，步骤4)所述洗涤的条件为用去离子水和无水乙醇分别洗涤3～4次。

具体的，步骤4)所述干燥的条件为在60℃真空烘箱中干燥10～12h。

另外，本发明公开的一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴可作为钠离子电池负极材料。

大量的实验工作发现，实验制备过程中我们主要研究了不同反应时间下硫化钴的结构形态，在反应时间为12～24h时，反应时间较短，晶体生长速率较慢，硫化钴形成纳米片层堆积的块体结构，并有一些没有发生自组装的微球存在；反应时间为24～48h时，硫化钴纳米片层自组装形成结构为纳米片层堆积的三维环状结构；反应时间为72h以上时，硫化钴形成有部分纳米片组装的棒状结构。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明公开的三维环状微纳结构硫化钴由纳米片层组装而成，一方面纳米片层结构有利于钠离子传输和电解液浸润，另一方面，三维环状结构可以缓解钠离子电池在高速充放电过程中的体积急剧膨胀和结构坍塌等问题，微米结构可以提高材料的振实密度，从而有效的提高了钠离子电池的电化学性能及其商业化应用。(2)具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴的一步法合成，为其它金属硫化物的制备提供了新的思路和方法。(3)利用该三维环状微纳结构硫化钴组装成钠离子电池，在电流密度为100ma/g时，其首次放电比容量为745mah/g，在电流密度为1a/g时循环200圈后容量仍高达392mah/g。测试结果显示，该纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴具有优异的储钠性能，是非常有前景的钠离子电池负极材料。

附图说明

图1为具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的xrd图谱；

图2为具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的扫描电镜图；

图3为具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴在100ma/g电流密度下前3圈的充放电曲线；

图4为具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴在1a/g电流密度下的循环曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡采用对本发明技术方案同等替换或修改，而不脱离本发明技术原理及主旨，均应涵盖在本发明要求的保护范围。

实施例1

一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法，它包括如下步骤：

1)将1.5gcocl2·6h2o加入到60ml的乙二胺中，搅拌80min使其溶解,得到混合溶液a，其中的co²⁺的浓度为0.11mol/l；

2)在步骤1)所得混合溶液a中，加入1.1g硫代乙酰胺，搅拌80min使其溶解,得到混合溶液b，其中co²⁺与硫代乙酰胺的摩尔浓度比为0.43；

3)将步骤2)所得混合溶液b转移到聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下反应48h；

4)将步骤3)所得的产物抽滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤4次，在60℃真空烘箱中干燥12h，即得到具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴。

对本实施例产物的晶体结构及物相由x-射线衍射仪确定。如图1所示，xrd图谱表明，所获得的硫化钴为纯相，结晶性较好。如图2所示，扫描电镜观察结果表明，该硫化钴为纳米片层组装的三维环状微纳结构。

实施例2

一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法，它包括如下步骤：

1)将1.0gcocl2·6h2o加入到60ml的乙二胺中，搅拌60min使其溶解，得到混合溶液a，其中的co²⁺的浓度为0.07mol/l；

2)在步骤1)所得混合溶液a中，加入0.8g硫代乙酰胺，搅拌60min使其溶解，得到混合溶液b，其中co²⁺与硫代乙酰胺的摩尔浓度比为0.39；

3)将步骤2)所得混合溶液b转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180℃下反应24h；

4)将步骤3)所得的产物抽滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在60℃真空烘箱中干燥10h，即得到具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴。

实施例3

一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法，它包括如下步骤：

1)将1.0gcocl2·6h2o加入到40ml的乙二胺中，搅拌60min使其溶解,得到混合溶液a，其中的co²⁺的浓度为0.11mol/l；

2)在步骤1)所得混合溶液a中，加入1.2g硫代乙酰胺，搅拌80min使其溶解，得到混合溶液b，其中co²⁺与硫代乙酰胺的摩尔浓度比为0.26；

3)将步骤2)所得混合溶液b转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180℃下反应48h；

4)将步骤3)所得的产物抽滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在60℃真空烘箱中干燥10h，即得到具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴。

实施例4

一种具有纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴的制备方法，它包括如下步骤：

1)将1.6gcocl2·6h2o加入到40ml的乙二胺中，搅拌80min使其溶解,得到混合溶液a，其中co²⁺的浓度为0.17mol/l；

2)在步骤1)所得混合溶液a中，加入0.8g硫代乙酰胺，搅拌60min使其溶解，得到混合溶液b，其中co²⁺与硫代乙酰胺的摩尔浓度比为0.63；

3)将步骤2)所得混合溶液b转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180℃下反应72h；

4)将步骤3)所得的产物抽滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤4次，在60℃真空烘箱中干燥12h，即得到具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴。

实施例5

以实施例1得到的具有纳米片层组装的由纳米片层组装的三维环状微纳结构的硫化钴作为钠离子电池负极材料，钠离子电池装配包括载有活性物质的集流体、钠片、隔膜、负极片、垫片、弹片、正极壳。载有活性物质的集流体的制备方法如下：将纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴、羧甲基纤维素钠(cmc)粘结剂、ks6导电剂三种原料按质量比为8:1:1，在玛瑙研钵中充分搅拌均匀，然后用涂膜器(规格为100μm)涂覆在铜片上，置于80℃真空烘箱中干燥12h后备用。将三氟甲基磺酸钠溶于二乙二醇二甲醚中作为电解液，钠片作为对电极，电池外壳规格为cr2032型，玻璃纤维滤膜为隔膜，在手套箱中组装成扣式钠离子电池。

如图3所示，该负极材料在电流密度为100ma/g时，其首次放电比容量为745mah/g，如图4所示，在电流密度为1a/g时循环200圈后容量仍高达392mah/g。该结果表明，具有纳米片层组装的三维环状微纳结构硫化钴作为钠离子电池负极材料展现出优异的电化学性能。