过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料及其制备方法、负极片和电池

本申请实施例属于锂离子电池负极材料，尤其涉及一种过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料及其制备方法、负极片和电池。

背景技术：

1、几十年来，锂离子电池(libs)一直被视为一种有前景的储能设备，因其具有高安全性和高能量密度、良好的循环性能和环境友好等优点而广泛应用于我们的生活中。它们在大规模应用中显示出巨大的潜力，包括混合动力汽车、便携式电子设备和固定能量储存。然而，仍有一些障碍影响了锂离子电池的发展，例如阳极材料的容量有限。作为锂离子电池中的重要组成部分，阳极对电池性能至关重要。石墨是最商业化的阳极，理论容量有限(372mahg-1)，不能满足社会快速发展日益增长的需求。为了解决该问题，探索新的阳极材料已成为一项迫在眉睫的任务，来自世界各地的研究人员进行了大量的研究发现，在许多负极材料中，过渡金属氧化物(tmo)由于其较高理论容量而被深入研究，有可能取代石墨烯基材料。例如，co3o4、cuo、mn2o3、fe2o3和zno等。作为过渡金属氧化物的二元金属氧化物(bmo)，如cuco2o4、znco2o4、nico2o4和znmn2o4，由于它们的协同作用和复杂的化学组成而表现出优异的电化学性能。在各种bmo中，自旋结构的cuco2o4由于其高理论容量(872mahg-1)和对环境友好而被认为是一种有前途的候选阳极材料。但是，cuco2o4存在较低的本征电子电导率和低的锂离子迁移动力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供一种过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料及其制备方法、负极片和电池，以解决现有技术中钴酸铜存在较低的本征电子电导率和低的锂离子迁移动力的技术问题。

2、本申请实施例第一方面提供一种过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料，所述过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的化学分子式为：cu1-xmxco2o4，其中m代表过渡金属，x的取值范围为0.05≤x≤0.1。

3、在可以包括上述实施例的一些实施例中，过渡金属采用bi或cr；

4、过渡金属为bi，x取值为0.05；

5、过渡金属为cr，x取值为0.1。

6、本申请实施例第二方面还提供一种过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

7、步骤一、按照所述的过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的化学分子式的化学计量比称取铜源、钴源、过渡金属源和沉淀剂，溶解于适量有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合溶液；

8、步骤二、将所述混合溶液水热处理，得到中间体物质；

9、步骤三、将所述中间体物质进行煅烧，得到过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料。

10、在可以包括上述实施例的一些实施例中，具体包括如下步骤：

11、步骤一、按照所述的过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的化学分子式的化学计量比称取(1-x)mmol铜源、2mmol钴源和xmmol过渡金属源，溶解于60-xml有机溶剂中，然后加入6.67mmol沉淀剂，在磁力搅拌机下搅拌混合均匀，转速为200rpm，并且超声处理，得到混合溶液；

12、步骤二、将所述混合溶液放进反应釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为10h，得到沉淀物，洗涤、烘干，得到中间体物质；

13、步骤三、将所述中间体物质在空气中进行煅烧，煅烧温度为450-650℃，煅烧时间为2h，得到过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料。

14、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述铜源为三水硝酸铜、六水硝酸铜、硫酸铜、氯化铜中的一种或几种。

15、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述钴源为六水合硝酸钴、七水硫酸钴、氯化钴、四氧化二钴中的一种或几种。

16、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述过渡金属源为铋源和/或铬源；

17、所述铋源为硝酸铋、三氯化铋、柠檬酸铋中的一种或几种。

18、所述铬源为硝酸铬、三氧化铬、碱式硫酸铬中的一种或几种。

19、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述有机溶剂为n,n二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮中的一种或几种；所述沉淀剂为尿素和/或聚丙烯酰胺。

20、本申请实施例第三方面还提供一种负极片，该负极片含有上述的纳米材料或上述的方法制备得到的纳米材料。

21、本申请实施例第四方面还提供一种电池，包括上述的负极片，还包括电池外壳、正极片、隔离膜和电解液。

22、本申请实施例与现有技术相比，具有如下有益效果：

23、1、本申请加入沉淀剂，利用溶剂热的方法能够提高过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料作为锂离子电池电极材料的离子电导率；沉淀剂在高温高压的环境下溶解在有机溶剂中会分解从而使得金属离子聚集在一起生成沉淀。

24、2、本申请通过水热的方法制备过渡金属掺杂的钴酸铜，制备方法流程简单、容易实现、可重复性高，可降低能耗，原料利用率高，能够制备出结晶性和电化学性能优良、高纯度的过渡金属掺杂的钴酸铜材料，该材料表现出优异的电化学性能和极佳的循环稳定性。

技术特征：

1.一种过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料，其特征在于，所述过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的化学分子式为：cu1-xmxco2o4，其中m代表过渡金属，x的取值范围为0.05≤x≤0.1。

2.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料，其特征在于，过渡金属采用bi或cr；

3.一种制备权利要求1或2所述的过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述铜源为三水硝酸铜、六水硝酸铜、硫酸铜、氯化铜中的一种或几种。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述钴源为六水合硝酸钴、七水硫酸钴、氯化钴、四氧化二钴中的一种或几种。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述过渡金属源为铋源和/或铬源；

8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为n,n二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮中的一种或几种；所述沉淀剂为尿素和/或聚丙烯酰胺。

9.一种负极片，其特征在于，该负极片含有权利要求1或2所述的纳米材料或权利要求3-8中任一项所述的方法制备得到的纳米材料。

10.一种电池，其特征在于，包括权利要求9所述的负极片，还包括电池外壳、正极片、隔离膜和电解液。

技术总结
本申请实施例涉及过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料及其制备方法、负极片和电池，属于锂离子电池负极材料技术领域。本申请实施例旨在解决现有技术中钴酸铜作为负极材料存在的本征电子电导率低以及锂离子迁移动力低的技术问题。本申请实施例的过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料，过渡金属掺杂的钴酸铜纳米材料的化学分子式为：Cu<subgt;1‑x</subgt;M<subgt;x</subgt;Co<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;，其中M代表过渡金属，x的取值范围为0.05≤x≤0.1。本申请实施例所提供的材料，通过过渡金属元素的掺杂，该材料表现出优异的电化学性能和极佳的循环稳定性。

技术研发人员：宋忠诚,童梦圆,孙丽侠,蔡玉婷
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16