一种杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备方法与流程

本发明涉及电极材料的制备技术，具体涉及杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备技术。

背景技术：

锂离子电池拥有功率密度高、循环寿命长、安全性能好等优点，被广泛用于移动器件和电动汽车。但由于普通过度金属氧化物具有导电性能差，导致此类材料的充放电速率较低，同时在充放电过程中产生巨大的体积膨胀，从而限制了其商业化道路，所以对于一种新型的电极材料的研究显得更为重要。

碳包覆改性不仅可以提高电极材料的电导率，还可对充放电过程中材料的体积变化起到有效的缓冲作用，对金属电极材料的改性已经取得了一定的进展。

中国专利cn103695864a公开了一种碳包覆钴金属纳米颗粒的制备方法。通过气态化合物分解且表面材料的反应产物不留存于镀层中的仅沉淀积碳的化学镀覆，是一种通过化学气相沉积法在氯化钾载体上分解乙炔合成碳包覆钴金属纳米颗粒的方法，首先制备钴-氯化钾，然后合成碳包覆钴金属纳米颗粒，最后进行钝化，得到纯度为95-99%的碳包覆钴金属纳米颗粒，该方法克服了现有技术中合成的碳包覆钴金属纳米粒子纯度低，杂质多且不易去除，碳包覆金属纳米粒子的性能较差和产率低的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述发明工艺过程复杂及无法对碳包覆层进行杂原子掺杂的不足，提出了一种杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备方法。

本发明是一种杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备方法，其步骤为：

（1）以离子液体为碳源，将离子液体和钴盐按质量比10:1-100:1混合置于坩埚内；

（2）将坩埚置于管式炉中，惰性气体保护下，升温到100-600℃保温10-60min；

（3）再继续升温至650-1600℃保温60-360min，冷却至室温，得到杂原子掺杂碳负载钴电极材料。

本发明的有益之处是：将离子液体与钴盐混合，然后在惰性气氛中煅烧，即获得杂原子掺杂碳负载钴电极材料。该方法工艺简单，碳基体中杂原子n、o、p、s、b均来自离子液体本身，通过控制离子液体的类型和加入量可以对碳基体中的杂原子种类和含量以及钴负载量进行调控。制备的杂原子掺杂碳负载钴电极材料具有高的储锂性能、循环性能和倍率性能。

附图说明

图1为本发明合成的杂原子掺杂碳负载钴电极材料的xrd图，图2为本发明合成的杂原子掺杂碳负载钴电极材料充电比容量循环曲线。

具体实施方式

本发明是一种杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备方法，其步骤为：

（1）以离子液体为碳源，将离子液体和钴盐按质量比10:1-100:1混合置于坩埚内；

（2）将坩埚置于管式炉中，惰性气体保护下，升温到100-600℃保温10-60min；

（3）再继续升温至650-1600℃保温60-360min，冷却至室温，得到杂原子掺杂碳负载钴电极材料。

以上所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，或者1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，或者1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐，或者1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚胺盐，或者1-辛基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，或者1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，或者1-辛基-3-甲基咪唑二腈胺盐，或者1-辛基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚胺盐，或者n-乙基吡啶二腈胺盐，或者1-烯丙基-3-丁基咪唑二腈胺盐，或者1-腈丙基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐，或者1-腈丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，或者1-腈丙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚胺盐，或者上述离子液体的组合。

以上所述的钴源为硝酸钴，或者乙酸钴，或者乙酰丙酮钴，或者草酸钴，或者硫酸钴，或者碳酸钴，或者上述钴盐的组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明不局限于以下实施例。

实施例1：

将20g1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1g乙酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到300℃煅烧保温30min，继续升温至700℃保温60min，冷却至室温，制得n、b掺杂碳负载钴电极材料。

实施例2：

将20g1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐和1g乙酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至700℃保温60min，冷却至室温，制得n、p共掺杂的碳负载钴电极材料。

实施例3：

将100g1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚胺盐和1g硝酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至700℃保温60min，冷却至室温，制得n、s共掺杂的碳负载钴电极材料，xrd图如图1所示。所得n、s共掺杂的碳负载钴电极材料的电化学性能测试采用cr2025扣式电池，将制备好的活性物质与导电剂乙炔黑、粘结剂pvdf（聚偏二氟乙烯）按8:1:1混合均匀，加入适量nmp（n-甲基吡咯烷酮）在玛瑙研钵中研磨均匀，形成粘稠的胶状混合物，然后均匀涂布在0.02mm厚的铜箔上，置于100℃真空干燥10h，冲成直径9mm的圆片，对电极采用金属锂片，电解液采用1mol.l^-lipf6/ec:dmc(1:1)，其中ec为碳酸乙烯酯，dmc为碳酸二甲酯，隔膜采用celgard2400隔膜，在充满惰性气氛的手套箱中进行组装。组装好的电池用蓝电电池测试系统进行充放电性能测试，充电比容量循环曲线如图2所示。

实施例4：

将10g1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐和1g乙酰丙酮钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至800℃保温60min，冷却至室温，制得n掺杂的碳负载钴电极材料。

实施例5：

将20g1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐和1g硝酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至1000℃保温60min，冷却至室温，制得n掺杂的碳负载钴电极材料。

实施例6：

将10g1-辛基-3-甲基咪唑二腈胺盐和1g乙酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至1600℃保温60min，冷却至室温，制得n掺杂的碳负载钴电极材料。

实施例7：

将10g1-丁基-3-甲基咪唑二腈胺盐、10g1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚胺盐和1g乙酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至1000℃保温60min，冷却至室温，制得n、s共掺杂的碳负载钴电极材料。

实施例8：

将50g1-腈丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1g乙酸钴混合物加入坩埚内，然后放入管式炉中，在氩气保护下，加热到200℃保温30min，继续升温至1000℃保温60min，冷却至室温，制得n、b共掺杂的碳负载钴电极材料。

技术特征：

技术总结
一种杂原子掺杂碳负载钴电极材料的制备方法，将离子液体和钴盐混合后置于坩埚内，然后放入管式炉中，在惰性气体保护下，升温到100‑600℃保温10‑60min，再继续升温至650‑1600℃保温60‑360min，冷却至室温，制得杂原子掺杂碳负载钴电极材料。本发明的优点：该电极材料采用一步热解合成法，方法简单，基体为N、O、P、S、B杂原子掺杂的碳材料，碳基体中钴颗粒为纳米颗粒且分散性高，碳基体中的杂原子含量和钴负载量可调控，钴纳米颗粒均匀分散在碳基体中明显提高了其储锂容量、循环性能和倍率性能。

技术研发人员：蒙延双;肖明军;朱福良;王功瑞;段超宇;杜梦奇;王琛;王磊;夏军
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2017.06.13
技术公布日：2017.09.22