CN110299520B - 立方体复合物、电极片、锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及立方体复合物、电极片、锂离子电池及其制备方法，其具体包括：通过简单的共沉淀法将六氰钴酸钾、六水合硝酸镍和柠檬酸钠分别溶入去离子水中，通过搅拌、搁置老化生成Ni‑Co PBA立方体。然后通过水热处理将导电性差，锂离子扩散动力学缓慢的MoS2/MoO3复合物长在Ni‑Co PBA表层，得到由MoS2/MoO3复合物包覆的Ni‑Co PBA复合结构。这种分级结构可以改善复合物的导电性以及充分发挥了物质间的协同作用和界面效应，可以提高转化反应动力学。该Ni‑Co@MoS2/MoO3分级结构在经测试后发现其电化学性能优异，并且本发明所采用的制备方法简单，重复性好，原料低廉，符合绿色环保的发展需求。

Description

立方体复合物、电极片、锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种立方体复合物、电极片、锂离子电池及其制备方法。
背景技术
纳米级金属硫/氧化物作为一种重要的功能材料受到了广泛的研究和关注。尤其是它们优良的导电性和丰富的氧化还原电化学赋予它们优异的性能，在能量转换和存储方面具有潜在的应用。在各种纳米结构硫/氧化物中，具有大表面积和独特中空结构的材料在构建高性能电极方面具有独特优势。
二硫化钼(MoS2)作为最有趣的层状材料之一，是一种典型的n型半导体，其具有比表面积大，表面活性高，理论容量高(670mAh g-1)等优点，然而MoS2导电性差，在锂离子脱/嵌过程中层结构破坏严重，这些缺点极大的限制了MoS2电极的循环寿命和稳定性。MoO3具有高理论容量(1117mAh g-1)，优异的化学稳定性和独特的一维(1D)层状结构，然而，由于其在氧化还原反应中固有的缓慢动力学和在锂离子插入/脱出过程中具有较大的体积改变，MoO3电极的电化学性能仍然较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种立方体复合物、电极片、锂离子电池及其制备方法。该立方体复合物有效地改善了离子和电子的扩散动力学，从而有力地增强了锂离子电池的电化学性能。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
立方体复合物的制备方法，其包括如下步骤：
将Ni源、Co源以及沉淀剂加入溶剂中形成混合溶液，并将所述混合溶液于水浴条件下放置，之后收集沉淀，得到Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体；
取上述Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体、钼源以及硫源溶于溶剂DMF(N，N-二甲基甲酰胺)中获得分散后的溶液，对所述分散后的溶液进行水热反应，之后通过洗涤、干燥收集获得该立方体复合物，该立方体复合物为Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物。
进一步的，所述Ni源为六水合硝酸镍，所述Co源为六氰钴酸钾，所述沉淀剂为柠檬酸钠，所述六水合硝酸镍、所述六氰钴酸钾以及所述柠檬酸钠的摩尔比为6：(3-5)：9。
进一步的，所述六水合硝酸镍、所述六氰钴酸钾以及所述柠檬酸钠的摩尔比为6:4:9，该摩尔比为最优摩尔比。
进一步的，所述水浴条件为，将所述混合溶液放置于25℃的恒温条件下10-20小时获得沉淀。
进一步的，通过离心分离收集沉淀，并用去离子水洗涤，之后再60-80℃下干燥8-12小时后获得Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体。
进一步的，所述钼源为四水合钼酸铵，所述硫源为硫代乙酰胺；所述Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体、所述四水合钼酸铵以及所述硫代乙酰胺的质量比为15:(115-230)：(44-88)。
进一步的，所述水热反应的条件是，将所述分散后的溶液置于高压釜中，在180-190℃下反应18-20小时，冷却至室温后，先后经过离心以及洗涤后，在60～80℃下真空干燥箱中干燥10-12h；优选的，水热反应的条件是，在190℃下反应18小时，然后降温至180℃后反应2小时。
立方体复合物，所述立方体复合物为Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物，该立方体复合物由MoO3和MoS2附着在Ni-Co骨架上构成，所述Ni-Co骨架由Ni-Co PBA转变而成，所述Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物的平均边长约为193nm。
电极片，所述电极片包含有活性物质，所述活性物质包含上述立方体复合物。
锂离子电池，该锂离子电池包括上述电极片。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明采用六氰钴酸钾、六水合硝酸镍和柠檬酸钠，通过简单的共沉淀法生成Ni-Co普鲁士蓝的类似物(Ni-Co PBA)立方体，然后通过水热处理获得MoS2/MoO3复合物包覆Ni-Co PBA的Ni-Co@MoS2/MoO3分级结构，该分级结构改善了复合物的导电性以及充分发挥了物质间的协同作用和界面效应，该分级结构的材料用于电极片，获得的电极片具有优异的电化学性能，使用该电极片的锂离子电池其储存锂离子的性能明显得以提升。
(2)本发明制备获得的Ni-Co PBA前驱体尺寸小，约为43nm，获得的Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物的形貌完整，大小均一；MoO3和MoS2的复合物依附在中空的Ni-Co骨架表面，有助于其结构的稳定性。由于其小的尺寸及其特殊的形貌，该立方体复合物用于锂离子电池的电极缩短了锂离子电池中锂离子和电子的扩散路径，降低了锂离子的扩散阻抗。
(3)本发明的所采用的制备方法简单，重复性好，原料价格低廉，符合绿色环保的发展需求。
附图说明
图1是本发明实施例1获得的Ni-Co PBA前驱体的透射电镜图。
图2是本发明实施例1获得的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1获得的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的透射电镜图。
图4是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料和对比例制备的MoS2/MoO3作为锂离子电池负极时的倍率性能图。
图5是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料和对比例制备的MoS2/MoO3作为锂离子电池负极时，在电流密度为0.2Ag-1下的循环性能图。
图6是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3作为锂离子电池负极时，在大电流密度2Ag-1下的循环性能图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
Ni-Co PBA前驱体的制备
将1.7448g六水合硝酸镍、2.6469g柠檬酸钠加入50mL去离子水中并振摇10分钟以形成均匀溶液；将1.3293g六氰钴酸钾加入到该均匀溶液中以形成混合溶液；再将此混合溶液置于磁力搅拌器上搅拌10分钟得到均匀混合液；将该均匀混合液放置于恒温水浴锅内18小时，保持25℃不变以获得沉淀。收集沉淀，通过离心分离，并用去离子水洗涤3次，之后在70℃下干燥12小时后得到Ni-Co普鲁士蓝类似物(Ni-Co PBA)前驱体，其化学式为Ni3(Co(CN)6)2(H2O)12。图1是该实施例获得的Ni-Co PBA的透射电镜图，由该图可以得知，该Ni-CoPBA前驱体为实心立方体结构，该Ni-Co PBA尺寸均一，其平均尺寸约为43nm。
Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的制备
将15mg Ni-Co PBA前驱体、230.8mg的四水合钼酸铵和88.6mg硫代乙酰胺(TAA)溶于80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声30分钟充分分散后溶液装入100mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在190℃下反应18h，之后降温至180℃反应2h。冷却至室温后通过离心分离，然后用乙醇、去离子水分别洗涤三次后在60℃下真空干燥12h，即可获得Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料，图2是该实施例获得的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的扫描电镜图，图3是该Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的透射电镜图，可知，该Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料总体上呈空心立方体结构，其形貌一致，大小均一，扫描电镜中破裂的部分立方体证明Ni-Co@MoS2/MoO3是中空结构。该Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料由MoO3和MoS2组成的复合材料附着在空心的Ni-Co骨架上构成，该Ni-Co骨架由Ni-Co PBA前驱体转变而成，该Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物的平均边长约为193nm。
对比例
MoS2/MoO3复合材料的制备
将230.8mg的四水合钼酸铵和88.6mg硫代乙酰胺(TAA)溶于80mL N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声30分钟充分分散后，将溶液装入100mL的聚四氟乙烯高压釜中，在190℃下反应18h，之后降温至180℃反应2h。冷却至室温后，离心分离，用乙醇、去离子水分别洗涤三次后在70℃下真空干燥12h，得到没有Ni-Co PBA前驱体的MoS2/MoO3复合物。
实施例2
Ni-Co PBA立方体的制备
将174.4mg六水合硝酸镍、200mg柠檬酸钠加入10mL去离子水中并振摇10分钟以形成均匀溶液；将132.3mg六氰钴酸钾加入到上述溶液中形成均匀溶液；再将混合液置于磁力搅拌器上搅拌10分钟得到均匀混合液；将均匀的混合溶液在30℃的水浴锅内放置18小时以获得沉淀；收集沉淀，通过离心分离，并用去离子水洗涤3次，并在80℃下干燥12小时后得到Ni-Co PBA立方体前驱体。
Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的制备
将20mg Ni-Co PBA前驱体、230.8mg的四水合钼酸铵和300mg硫代乙酰胺(TAA)溶于80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，通过超声40分钟将溶液充分分散，然后装入100mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在180℃下预热2h，后再升至190℃反应18h。冷却至室温后离心，用DMF、乙醇分别洗涤三次后再80℃下真空干燥12小时。
实施例3
Ni-Co PBA立方体的制备
将1.7445g六水合硝酸镍3.0014g柠檬酸钠加入50mL去离子水中并振摇10分钟以形成均匀溶液，记为a；将1.3223g六氰钴酸钾加入到50mL去离子中并振荡5分钟以形成均匀溶液,记为b；再将a、b混合后置于磁力搅拌器上搅拌10分钟得到均匀混合液；将均匀的混合溶液在25℃的水浴锅内放置20小时以获得沉淀；收集沉淀，通过离心分离，并用去离子水洗涤3次，并在60℃下干燥12小时后得到的粉末即为Ni-Co PBA立方体前驱体。
Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料的制备
将15mgNi-Co PBA前驱体、230.8mg的四水合钼酸铵和90mg硫代乙酰胺(TAA)溶于80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声30分钟充分分散后溶液装入100mL的聚四氟乙烯高压釜中，在170℃下预热2h，后再升至190℃反应18h。冷却至室温后离心，用DMF、乙醇分别洗涤三次后再60℃下真空干燥12小时。
分别取实施例1制备获得的Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料、对比例制备获得的MoS2/MoO3复合材料作为活性物质、活性炭以及聚偏二氟乙烯(PVDF)，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌7～12h后，将其涂布在清洁过的铜箔上，在60℃下真空干燥12小时，制备形成电极。其中，Ni-Co@MoS2/MoO3复合材料、活性炭以及聚偏二氟乙烯的质量比为7:2:1。MoS2/MoO3复合材料、活性炭以及聚偏二氟乙烯的质量比同样为7:2:1。活性物质的负载量约为0.5～1mg。用充满氩气的手套箱将电极装成硬币型电池(CR2032)来表征电极的电化学性能，其中手套箱的水和氧含量<0.01ppm，锂金属箔作为参比电极。聚乙烯和聚苯乙烯微孔膜用作隔膜。电解质由1M LiPF6溶液组成，溶剂为EC:DMC(v/v＝1:1)。在室温下使用LAND电池测试系统(Land CT 2001A)在0.01-3.0V(vs.Li+/Li)的电位范围内测试充放电曲线及循环、倍率性能。
图4是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3和实施例2制备的MoS2/MoO3倍率性能图。如图所示：材料的倍率性能好，在大电流密度下仍然具有较高的比容量。图5是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3和实施例2制备的MoS2/MoO3作为锂离子电池负极时，在电流密度为0.2Ag-1下的循环性能图。如图所示：Ni-Co@MoS2/MoO3电极在循环过程中比容量均保持在700mAh g-1以上。在循环300次，比容量被提高至1673mAh g-1；而MoS2/MoO3电极在最初的150次循环内，循环性能稳定，而160次后容量剧烈衰减，200次后容量仅保留538mAh g-1。因此，本发明制备的Ni-Co@MoS2/MoO3作为负极材料时，比MoS2/MoO3材料具有更好的循环稳定性和更长的循环寿命。
图6是使用本发明实施例1制备的Ni-Co@MoS2/MoO3作为锂离子电池负极时，在大电流密度2Ag-1下的循环性能图。如图所示：Ni-Co@MoS2/MoO3电极在2Ag-1下循环740次，比容量仍可保持在789mAh g-1。
由此可见，本发明制备获得的具有分级结构的Ni-Co@MoS2/MoO3用作锂离子电池负极材料时，极大的提高了材料的导电性以及充分发挥了物质间的协同作用和界面效应，获得的电极片具有优异的电化学性能，且其锂离子电池其储存锂离子的性能明显得以提升。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.立方体复合物，其特征在于，该立方体复合物是Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物，所述立方体复合物由MoO3和MoS2附着在空心的Ni-Co骨架上构成，所述Ni-Co骨架由Ni-Co PBA立方体转变而成，所述Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物的平均边长为193nm；
其由包括如下步骤方法制备得到：
将Ni源、Co源以及沉淀剂加入溶剂中形成混合溶液，并将所述混合溶液于水浴条件下放置，之后收集沉淀，得到Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体；
取上述Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体、钼源以及硫源溶于溶剂N，N-二甲基甲酰胺中获得分散后的溶液，对所述分散后的溶液进行水热反应，之后通过洗涤、干燥收集获得立方体复合物，该立方体复合物是Ni-Co@MoS2/MoO3立方体复合物。
2.根据权利要求1的所述立方体复合物，其特征在于，所述Ni源为六水合硝酸镍，所述Co源为六氰钴酸钾，所述沉淀剂为柠檬酸钠，所述六水合硝酸镍、所述六氰钴酸钾以及所述柠檬酸钠的摩尔比为6：（3-5）：9。
3.根据权利要求2的所述立方体复合物，其特征在于，所述六水合硝酸镍、所述六氰钴酸钾以及所述柠檬酸钠的摩尔比为6:4:9。
4.根据权利要求1-3任一项所述立方体复合物，其特征在于，所述水浴条件为，将所述混合溶液放置于25℃的恒温条件下10-20小时获得沉淀。
5.根据权利要求4的所述立方体复合物，其特征在于，通过离心分离收集沉淀，并用去离子水洗涤，之后再60-80℃下干燥8-12小时后获得Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体。
6.根据权利要求1-3任一项所述立方体复合物，其特征在于，所述钼源为四水合钼酸铵，所述硫源为硫代乙酰胺；所述Ni-Co普鲁士蓝类似物前驱体、所述四水合钼酸铵以及所述硫代乙酰胺的质量比为15：（115-230）：（44-88）。
7.根据权利要求6的所述立方体复合物，其特征在于，所述水热反应的条件是，将所述分散后的溶液置于高压釜中，在180-190℃下反应18-20小时，冷却至室温后，先后经过离心以及洗涤后，在60~80℃下真空干燥箱中干燥10-12h。
8.根据权利要求7的所述立方体复合物，其特征在于，所述水热反应的条件是，在190℃下反应18小时，然后降温至180℃后反应2小时。
9.电极片，其特征在于，所述电极片包含有活性物质，所述活性物质包含权利要求1的所述立方体复合物。
10.锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求9的所述电极片。
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