一种八面体多孔二氧化钼的制备方法及其在锂离子电池中的应用
【专利摘要】本发明公开了一种八面体多孔二氧化钼的制备方法及其在锂离子电池中的应用，该制备方法是将均苯三甲酸和四甲基氢氧化铵加入到含铜盐及磷钼酸和/或磷钼酸盐的溶液中搅拌，形成乳液；所述乳液转入水热反应釜中进行水热反应，得到前驱体化合物；所述前驱体化合物置于保护气氛中，在高温下热处理后，洗涤，即得由超细纳米颗粒堆积组装而成、形貌均匀、稳定性好，且具有多孔特性的多孔八面体二氧化钼材料，该二氧化钼材料作为负极材料用于锂离子电池，在保证比容量的前提下，改善了电极材料的倍率性能和循环稳定性能；且二氧化钼材料的制备工艺简单，成本低廉，具有较好的研究前景。
【专利说明】
一种八面体多孔二氧化钼的制备方法及其在锂离子电池中的应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，特别涉及一种八面体多孔二氧化钼的制备，及其在锂离子电池中的应用，属于新能源材料领域。
【背景技术】
[0002]锂离子电池作为一种占据社会主导地位的电化学储能器件，已经在便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)、电动汽车中取得了快速发展，并表现出良好的发展前景。石墨因其廉价和较好的稳定性等优点作为锂离子电池负极已经在商业化应用，但是其容量仍然较低。
[0003]近来，过渡金属氧化物因其比较高的理论比容量而在锂离子电池领域得到关注，在这些氧化物中，二氧化钼因其较丰富的价态，较低的电阻率，较好的电化学活性等优点而得到了更多的关注，二氧化钼的理论比容量是838mAh/g，然而颗粒状二氧化钼远远低于理论比容量，容量衰减主要归因于其在充放电过程中的体积变化，除此之外其动力学过程相对缓慢。
[0004]目前报道的二氧化钼的合成方法多样。Shi等人(NanoLetters，2009，9，4215.)报道了用二氧化硅做模板，在10%的氢气气氛条件下通过气相技术制备了纳米介孔的二氧化钼，应用于锂离子电池时表现出TSOnAhg—1的比容量，但该制备方法成本较高，合成条件苛刻，且需要存在安全隐患的氢气，难以实现大量生产;Zhao等人(J.Mater.Chem.,2012,22,13334.)报道了一种用溶剂热法合成的核壳结构的二氧化钼，并将其应用于锂离子电池负极，其首圈比容量为749.3mAhg—1，50圈后降低到623.8mAhg—1，虽然性能相对较好，但是核壳结构较为复杂，且形貌结构不易控制，限制了其大规模应用；中国专利CN 102815749A公开了一种通过共沉淀法制备二氧化钼纳米棒的方法，这种方法合成条件难以控制，且材料形貌均匀性较差等缺点。
[0005]上述二氧化钼的制备方法大多存在合成条件苛刻，形貌和材料均匀度不易控制的缺点，当其作为锂离子电池负极材料时，有的循环稳定性较差，有的大电流性能不理想，因此本领域亟需探索一种容量发挥好，循环和倍率性能好，制备方法简单的锂离子电池负极材料。
【发明内容】
[0006]针对现有的介孔二氧化钼的合成技术及应用存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种由超细纳米颗粒堆积组装而成、形貌均匀、稳定性好，且具有多孔特性的多孔八面体二氧化钼材料。
[0007]本发明的另一个目的是在于提供所述的八面体多孔二氧化钼作为锂离子电池负极材料的应用，应用于锂离子电池时能表现出特别优异的循环性能和倍率性能，有利于推广应用。
[0008]为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于锂离子电池的八面体多孔二氧化钼的制备方法，该制备方法是将均苯三甲酸和四甲基氢氧化铵加入到含铜盐及磷钼酸和/或磷钼酸盐的溶液中搅拌，形成乳液;所述乳液转入水热反应釜中，于180?200°C温度下进行水热反应，得到前驱体化合物;所述前驱体化合物置于保护气氛中，在800?900°C温度下进行热处理后，洗涤，即得。
[0009]优选的方案，铜盐与磷钼酸和/或磷钼酸盐的摩尔比为(8?10):1。
[0010]优选的方案，铜盐和均苯三甲酸及四甲基氢氧化铵的摩尔比为(0.5?2):1:1。
[0011]较优选的方案，铜盐为氯化铜、硝酸铜、醋酸铜中的至少一种;最优选为硝酸铜。
[0012]较优选的方案，磷钼酸盐为磷钼酸铵和/或磷钼酸钠。
[0013]优选的方案，水热反应时间为36?54h。
[0014]优选的方案，热处理时间为5?12h。
[0015]优选的方案，洗涤采用的洗涤液为三氯化铁溶液。
[0016]较优选的方案，八面体多孔二氧化钼的比表面积为300?1000m2/g。
[0017]优选的方案，保护气体为氮气或惰性气体，优选为氩气。
[0018]本发明制备的八面体多孔二氧化钼是由超细纳米二氧化钼构筑成具有多孔，且形貌规则的八面体结构。八面体多孔二氧化钼为实心体结构，其孔结构以纳米尺寸孔洞为主，且孔洞之间相互贯通。
[0019]本发明用于锂离子电池的八面体多孔二氧化钼的优选制备方案为:将硝酸铜和磷钼酸按摩尔比8:1?10:1在搅拌条件下充分溶解于蒸馏水中，得到混合溶液;在所述混合溶液中连续加入均苯三甲酸和四甲基氢氧化铵，在室温下搅拌，得到乳液;所述乳液转入水热反应釜中，在180?200°C温度下进行水热反应36?54h，得到前驱体化合物，将前驱体化合物置于保护气氛中，于800?900°C温度下进行热处理6?12h，反应产物采用三氯化铁溶液洗涤，即得八面体多孔二氧化钼材料。
[0020]本发明还提供了一种所述八面体多孔二氧化钼的应用，将所述的八面体多孔二氧化钼作为负极材料应用于锂离子电池。
[0021]优选的方案，将所述八面体多孔二氧化钼与导电剂和粘结剂混合后，通过涂布法涂覆在铜箔基体上，制成锂离子电池负极。
[0022]优选的方案，导电剂为导电炭黑。
[0023]优选的方案，粘结剂为PVDF。
[0024]本发明的八面体多孔二氧化钼制备锂离子负极及锂离子电池的具体方法为:首先将八面体多孔二氧化钼材料按照(7?9):(0.5?1.5):(0.5?1.5)的质量比例与导电炭黑和PVDF充分研磨混合，然后滴加少量的NMP经充分研磨混合之后形成均匀的液态糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属锂作为对比电极制成扣式电池，其电解液为IMLiPF6/EC:DMC(l:1vol % )+5wt%FEC0
[0025]本发明的技术方案是通过大量实验摸索得到的经验总结。在研究初期，采用常规的方法来制备二氧化钼，但得到的二氧化钼材料总会发生部分团聚，且形成的孔隙结构及形貌不均匀，不利于其电化学性能的发挥。本发明的技术方案，以Keggin钼酸(盐)为模板构筑晶态化合物，通过水热过程，Keggin型钼酸(盐)作为非配位客体交替排列在生成的Cu-BTC基金属有机框架中，形成具有特殊八面体结构的晶态化合物，通过高温处理后，保留八面体框架结构，从而得到由纳米二氧化钼有序堆积形成八面体结构；同时在高温处理过程，金属有机框架材料则形成均匀的多孔结构，而进一步将经还原形成的嵌在材料中的铜洗涤脱除后，使孔隙结构更加丰富。获得的二氧化钼材料具有特定的形貌及均匀的孔结构，有利于二氧化钼电化学性能的发挥，进而极大地提高材料的质量比容量。将其制成负极用于锂离子电池可改善锂离子电池的倍率性能和延长循环寿命。
[0026]相对现有技术，本发明的技术方案具有以下技术优势:
[0027]I)本发明的技术方案首次获得具有特殊结构的八面体多孔二氧化钼，其由超细纳米颗粒堆积组装而成，形貌均匀，稳定性好，且其富有多孔的特性，能够保证良好的锂离子通道，可以作为优异的锂离子负极材料使用。
[0028]2)本发明的技术方案将八面体多孔二氧化钼用于锂离子负极材料，由于八面体多孔二氧化钼特殊的形貌特征，在很大程度上降低二氧化钼在脱嵌锂离子过程中产生体积膨胀而导致的结构变化及性能恶化，在保证比容量的前提下，改善了电极材料的倍率性能和循环稳定性能，从而很好地弥补了单一二氧化钼材料的不足。
[0029]3)本发明的八面体多孔二氧化钼材料的制备方法简单，工艺流程短，重复性好，环境友好，有利于工业化生产。
【附图说明】
[0030]【图1】为实施例1制得的八面体多孔二氧化钼负极材料的X射线衍射图谱(XRD)。
[0031]【图2】为实施例1制得的八面体多孔二氧化钼负极材料的扫描电镜图(SEM)。
[0032]【图3】为实施例1制得的八面体多孔二氧化钼负极材料组装的锂离子电池的恒流充放电性能图。
[0033]【图4】为实施例1制得的八面体多孔二氧化钼负极材料组装的锂离子电池的倍率性能图。
【具体实施方式】
[0034]以下实施例旨在对本
【发明内容】
做进一步详细说明；而本发明权利要求的保护范围不受实施例限制。
[0035]实施例1
[0036]按照铜源和钼源摩尔比为9:1，分别称取硝酸铜Immol，磷钼酸0.1lmmol，并先后加入到1mL去离子水中，在磁力搅拌条件下连续加入Immol均苯三甲酸和Immol四甲基氢氧化铵，充分搅拌0.5h之后，将混合溶液转入水热反应釜中，在180°C温度下进行水热反应48h，将产物用蒸馏水洗涤之后，置于烘箱烘干，将其置于石英坩祸中，通入氩气于850°C进行高温热处理，时间为Sh，将产物用三氯化铁溶液洗涤，烘干，即可得到八面体多孔二氧化钼材料。
[0037]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料，二氧化钼纳米颗粒构筑形成均匀的富含孔隙的八面体结构，颗粒大小为4?6μπι。
[0038]采用本实施例制备的锂离子电池复合负极材料与锂片组装成扣式电池，其材料表征和电化学性能如附图所示:
[0039]图1中可看出八面体多孔二氧化钼负极材料中各衍射峰的位置和相对强度均与JCPDS (粉末衍射标准联合委员会)卡片(65-5787)相吻合，表明产物为单斜晶系的MoO2晶体。
[0040]图2中可看出由纳米颗粒组成，富含孔隙的二氧化钼八面体结构。
[0041]图3中表明采用八面体多孔二氧化钼材料制成的电极，在室温下在100mA/g恒流放电时，循环500圈比容量仍可保持在517.2mA h/g;表现出良好的循环性能。
[0042]图4中表明采用八面体多孔二氧化钼材料制成的电极相应的电池在不同放电倍率下的倍率性能图，可以发现该材料具有优良的倍率性能，在大倍率1000mA/g下，容量仍可保持在391.5mA 11/^，当电流密度由大电流回到5011^/^后容量又恢复到717.511^ h/g。
[0043]实施例2
[0044]按照铜源和钼源摩尔比为8:1，分别称取硝酸铜Immol，磷钼酸0.125mmol，并先后加入到1mL去离子水中，在磁力搅拌条件下连续加入0.5mmol均苯三甲酸和0.5mmol四甲基氢氧化铵，充分搅拌0.5h之后，将混合溶液转入水热反应釜中，在180°C温度下进行水热反应36h，将产物用蒸馏水洗涤之后，置于烘箱烘干，将其置于石英坩祸中，通入氩气于800°C进行高温热处理，时间为6h，将产物用三氯化铁溶液洗涤，烘干，即可得到八面体多孔二氧化钼材料。
[0045]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料，二氧化钼纳米颗粒构筑形成均匀的富含孔隙的八面体结构，颗粒大小为5?7μπι。
[0046]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料制成的电极相应电池在室温下，以10mA/g恒流放电时，循环500圈比容量仍可保持在480mA h/g ；表现出良好的循环性能。
[0047]实施例3
[0048]按照铜源和钼源摩尔比为8:1，分别称取硝酸铜Immol，磷钼酸0.125mmol，并先后加入到1mL去离子水中，在磁力搅拌条件下连续加入Immol均苯三甲酸和Immol四甲基氢氧化铵，充分搅拌0.5h之后，将混合溶液转入水热反应釜中，在180°C温度下进行水热反应48h，将产物用蒸馏水洗涤之后，置于烘箱烘干，将其置于石英坩祸中，通入氩气于800°C进行高温热处理，时间为10h，将产物用三氯化铁溶液洗涤，烘干，即可得到八面体多孔二氧化钼材料。
[0049]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料，二氧化钼纳米颗粒构筑形成均匀的富含孔隙的八面体结构，颗粒大小为4?8μπι。
[0050]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料制成的电极相应电池在室温下，以100mA/g恒流放电时，循环500圈比容量仍可保持在500mA h/g；表现出良好的循环性能。[0051 ] 实施例4
[0052]按照铜源和钼源摩尔比为10:1，分别称取硝酸铜Immol，磷钼酸0.1mmol，并先后加入到1mL去离子水中，在磁力搅拌条件下连续加入Immol均苯三甲酸和Immol四甲基氢氧化铵，充分搅拌0.5h之后，将混合溶液转入水热反应釜中，在200°C温度下进行水热反应48h，将产物用蒸馏水洗涤之后，置于烘箱烘干，将其置于石英坩祸中，通入氩气于900°C进行高温热处理，时间为6h，将产物用三氯化铁溶液洗涤，烘干，即可得到八面体多孔二氧化钼材料。
[0053]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料，二氧化钼纳米颗粒构筑形成均匀的富含孔隙的八面体结构，颗粒大小为5?8μπι。
[0054]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料制成的电极相应电池在室温下，以10mA/g恒流放电时，循环500圈比容量仍可保持在470mA h/g ；表现出良好的循环性能。
[0055]实施例5
[0056]按照铜源和钼源摩尔比为10:1，分别称取硝酸铜Immol，磷钼酸0.1mmol，并先后加入到1mL去离子水中，在磁力搅拌条件下连续加入1.5mmoI均苯三甲酸和1.5mmo I四甲基氢氧化铵，充分搅拌0.5h之后，将混合溶液转入水热反应釜中，在200°C温度下进行水热反应54h，将产物用蒸馏水洗涤之后，置于烘箱烘干，将其置于石英坩祸中，通入氩气于900 V进行高温热处理，时间为10h，将产物用三氯化铁溶液洗涤，烘干，即可得到八面体多孔二氧化钼材料。
[0057]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料，二氧化钼纳米颗粒构筑形成均匀的富含孔隙的八面体结构，颗粒大小为6?8μπι。
[0058]采用本实施例制备的八面体多孔二氧化钼材料制成的电极相应电池在室温下，以10mA/g恒流放电时，循环500圈比容量仍可保持在51 OmA h/g；表现出良好的循环性能。
【主权项】
1.一种八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:将均苯三甲酸和四甲基氢氧化铵加入到含铜盐及磷钼酸和/或磷钼酸盐的溶液中搅拌，形成乳液;所述乳液转入水热反应釜中，于180?200°C温度下进行水热反应，得到前驱体化合物;所述前驱体化合物置于保护气氛中，在800?900°C温度下进行热处理后，洗涤，即得。2.根据权利要求1所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的铜盐与磷钼酸和/或磷钼酸盐的摩尔比为(8?10):1。3.根据权利要求1所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的铜盐和均苯三甲酸及四甲基氢氧化铵的摩尔比为(0.5?2):1:1。4.根据权利要求1?3任一项所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的铜盐为氯化铜、硝酸铜、醋酸铜中的至少一种;所述的磷钼酸盐为磷钼酸铵和/或磷钼酸钠。5.根据权利要求1所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的水热反应时间为36?54h。6.根据权利要求1所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的热处理时间为5?12h。7.根据权利要求1所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的洗涤采用的洗涤液为三氯化铁溶液。8.根据权利要求1?3、5?7任一项所述的八面体多孔二氧化钼的制备方法，其特征在于:所述的八面体多孔二氧化钼的比表面积为300?1000m2/g。9.权利要求1?3、5?7任一项所述制备方法制备的八面体多孔二氧化钼的应用，其特征在于:作为负极材料应用于锂离子电池。10.根据权利要求9所述的八面体多孔二氧化钼的应用，其特征在于:将所述八面体多孔二氧化钼与导电剂和粘结剂混合后，通过涂布法涂覆在铜箔基体上，制成锂离子电池负极。
【文档编号】H01M10/0525GK105977479SQ201610348365
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】张治安, 宋俊肖, 吕晓军, 赖延清, 张凯, 李劼
【申请人】中南大学