CN108622946A - 三维规则立方体结构纳米氧化镍及其制备方法及一种锂电池 - Google Patents

三维规则立方体结构纳米氧化镍及其制备方法及一种锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三维规则立方体结构纳米氧化镍及其制备方法及一种锂电池，其制备方法反应物包括原料Ni(NO3)2·6H2O和稳定剂PVP，包括以下步骤：(1)将质量分数为1.5％‑2％的Ni(NO3)2·6H2O、0.5‑0.7％PVP溶解分散于去离子水中搅拌；(2)调控获得的前驱溶液的pH值为10‑12，然后转移至高压反应釜中；(3)采用水热合成反应法，在120℃‑180℃条件下反应10‑18小时，然后冷却；(4)将获得的反应溶液用无水乙醇和去离子水清洗，获得前驱反应物Ni(OH)2，然后干燥；(5)将获得的干燥的Ni(OH)2放进高温炉中，400‑700℃温度下煅烧1‑3小时，然后冷却得到三维立方体结构纳米NiO。该材料具有较大的比表面积和结构弹性等优势，可以提高锂离子电池的可逆电容量、循环稳定性及倍率性能等，具有广泛的应用前景。

Description

三维规则立方体结构纳米氧化镍及其制备方法及一种锂电池
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种新型三维规则立方体结构的纳米氧化镍及其制备方法，以及采用该材料制备的锂电池。
背景技术
锂离子电池(LIBs)是未来电动汽车、混合动力电动汽车以及新兴的智能电网的潜在的重要动力源，现在全球市场的价值超过十亿美元。在现在及可预见的将来，可充电的锂离子电池(LIBs)被认为是最有前途的能量存储系统。
目前商业应用阳极材料主要是石墨，但是石墨阳极的锂离子迁移率小、长期充放电过程的稳定性差等问题限制了锂离子电池的广泛应用，此外其导电率和阻抗、初始充放电容量和循环倍率性能也有进一步改善的空间。
氧化镍也是一种常用的锂离子电池负极材料，目前多以氧化镍多层微球为锂离子电池负极，但发现其在高倍率充放电情况下，比容量较低，且循环稳定性能较差。
发明内容
为了解决现有锂电子电池阳极迁移率小、比容量低、稳定性差的问题，本发明提供一种新型三维立方体结构纳米氧化镍及其制备方法。
本发明技术方案如下：
三维立方体结构纳米氧化镍的制备方法，其特征在于采用水热法，反应物包括原料Ni(NO3)2·6H2O和稳定剂PVP，所述方法包括以下步骤：
(1)将质量分数为1.5％-2％的Ni(NO3)2·6H2O、0.5-0.7％PVP溶解分散于去离子水中，搅拌至均匀；
(2)调控上述步骤中获得的前驱溶液的pH值为10-12，然后将溶液转移至高压反应釜中；
(3)采用水热合成反应法，将装有反应溶液的高压反应釜在120℃-180℃条件下反应10-18小时，然后冷却；
(4)将步骤(3)获得的产物用无水乙醇和去离子水清洗，获得前驱反应物Ni(OH)2，然后干燥；
(5)将步骤(4)获得的干燥的Ni(OH)2放进高温炉中，400-700℃温度下煅烧1-3小时，然后冷却得到三维立方体结构纳米NiO。
优选的所述PVP为PVP-K30。
优选的步骤(1)中的所述搅拌为磁力搅拌。
进一步优选的所述磁力搅拌10-20分钟。
优选的步骤(3)中所述高压反应釜内衬为聚四氟乙烯。
优选的步骤(4)中采用离心法反复清洗。
优选的步骤(5)中在马弗炉内400-600℃温度下煅烧1-3小时。
前述方法制备的三维立方体结构纳米氧化镍。
一种锂电池，其特征在于阳极材料包括前述的三维立方体结构纳米氧化镍。
本发明技术效果如下：
本发明的整个反应过程的化学反应式可以表示如下：
Ni2++2OH-→Ni(OH)2
Ni(OH)2→NiO+H2O
本发明具有如下优点：
本发明通过一种全新且简单的制作工艺方法制备得到了三维立方体结构纳米氧化镍，形貌均一，具有较薄的壁厚和较大的比表面积，可以用于提高锂离子电池的比电容量、循环稳定性及倍率性能等。纳米氧化镍由于其安全性，环境友好，低成本以及良好的理论电容量718mA·h g-1而成为锂电池中最具有应用前景的阳极材料之一。而三维立方体结构的氧化镍纳米材料与普通纳米材料相比具有更大的优势。首先，三维立方体结构具有较大的比表面积，能为粒子间提供良好的电接触，提高锂离子电池的比电容。其次，三维立方体结构能为锂电池循环中产生体积膨胀提供足够的缓冲空间，提高锂离子电池的循环稳定性。因此三维立方体结构是锂离子电池阳极材料一个良好的选择。该材料具有较大的比表面积和结构弹性等优势，可以提高锂离子电池的可逆电容量、循环稳定性及倍率性能等，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得的三维规则立方体的扫描电镜图；
图2为实施例1制得的三维规则立方体的透射电镜图；
图3为实施例1制得的三维规则立方体循环性能测试图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的解释。
实施例1
(1)分别称取0.71g Ni(NO3)2·6H2O、0.26g PVP-K30(58000)，量取40ml去离子水，放入50ml烧杯中，常温下磁力搅拌15min至完全分散；
(2)逐滴加入氨水调控步骤(1)中获得的前驱溶液的pH值为11.70，然后将溶液转移至内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，密封；
(3)采用水热合成反应法，将装有反应溶液的高压反应釜放在150℃条件下反应12小时，然后自然冷却至室温；
(4)将步骤(3)获得的浑浊溶液进行离心处理，将得到的沉淀物用无水乙醇和去离子水反复清洗获得前驱物Ni(OH)2；然后放在干燥箱中60℃干燥12个小时；
(5)将步骤(4)获得的干燥的Ni(OH)2放进马弗炉中，以每分钟10℃的速率升温至600℃，在此温度下煅烧2小时，关闭电源，随炉冷却至室温，取出样品即获得NiO。
如图1是前驱液为pH＝11.70条件下制得的三维规则立方体的扫描电镜图；从图中可知，本实验制备的材料具有三维规则立方体结构，晶粒尺寸较小，为几十到200nm左右，表面光滑，分布均匀。
图2是以此材料为负极材料制备的锂离子电池阻抗性能，由于材料的晶粒尺寸较小，减小了锂离子的扩散距离，从而使锂离子和电子的导电率得到增加，阻抗降低。
图3从循环性能测试图中可以看出三维规则立方体氧化镍材料的初始充放电容量较高，循环倍率性能较好，是一种优良的锂离子电池电极材料。
本实施例制备的三维规则立方体结构的材料的具有较高的比电容，同时具有良好的电化学稳定性。是一种优良的超级电容器电极材料。
实施例2
(1)分别称取0.65g Ni(NO3)2·6H2O、0.28g PVP-K30，量取40ml去离子水，放入50ml烧杯中，常温下磁力搅拌15min至完全分散；
(2)逐滴加入氨水调控步骤(1)中获得的前驱溶液的pH值为10.70，然后将溶液转移至内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，密封；
(3)采用水热合成反应法，将装有反应溶液的高压反应釜放在120℃条件下反应16小时，然后自然冷却至室温；
(4)将步骤(3)获得的浑浊溶液进行离心处理，将得到的沉淀物用无水乙醇和去离子水反复清洗获得前驱物Ni(OH)2；然后放在干燥箱中60℃干燥12个小时；
(5)将步骤(4)获得的干燥的Ni(OH)2放进马弗炉中，以每分钟10℃的速率升温至500℃，在此温度下煅烧2.5小时，关闭电源，随炉冷却至室温，取出样品即获得NiO。
实施例3
(1)分别称取0.68g Ni(NO3)2·6H2O、0.21g PVP-K30，量取40ml去离子水，放入50ml烧杯中，常温下磁力搅拌15min至完全分散；
(2)逐滴加入氨水调控步骤(1)中获得的前驱溶液的pH值为11.10，然后将溶液转移至内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，密封；
(3)采用水热合成反应法，将装有反应溶液的高压反应釜放在180℃条件下反应15小时，然后自然冷却至室温；
(4)将步骤(3)获得的浑浊溶液进行离心处理，将得到的沉淀物用无水乙醇和去离子水反复清洗获得前驱物Ni(OH)2；然后放在干燥箱中60℃干燥12个小时；
(5)将步骤(4)获得的干燥的Ni(OH)2放进马弗炉中，以每分钟10℃的速率升温至700℃，在此温度下煅烧2小时，关闭电源，随炉冷却至室温，取出样品即获得NiO。
实施例2-3通过测试均获得与实施例1十分接近的效果。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等，例如配比、pH值、反应压力(10MPa≤p<100.0Mpa)与时长、搅拌干燥煅烧时间等参数的替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.三维立方体结构纳米氧化镍的制备方法，其特征在于采用水热法，反应物包括原料Ni(NO3)2·6H2O和稳定剂PVP，所述方法包括以下步骤：
(1)将质量分数为1.5％-2％的Ni(NO3)2·6H2O、0.5-0.7％PVP溶解分散于去离子水中，搅拌至均匀；
(2)调控上述步骤中获得的前驱溶液的pH值为10-12，然后将溶液转移至高压反应釜中；
(3)采用水热合成反应法，将装有反应溶液的高压反应釜在120℃-180℃条件下反应10-18小时，然后冷却；
(4)将步骤(3)获得的产物用无水乙醇和去离子水清洗，获得前驱反应物Ni(OH)2，然后干燥；
(5)将步骤(4)获得的干燥的Ni(OH)2放进高温炉中，400-700℃温度下煅烧1-3小时，然后冷却得到三维立方体结构纳米NiO。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述PVP为PVP-K30。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中的所述搅拌为磁力搅拌。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于磁力搅拌10-20分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述高压反应釜内衬为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中采用离心法反复清洗。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)中在马弗炉内500-600℃温度下煅烧2小时。
8.权利要求1-7任一所述的方法制备的三维立方体结构纳米氧化镍。
9.一种锂电池，其特征在于阳极材料包括权利要求8所述的纳米氧化镍。
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