CN113690422A - 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用 - Google Patents

具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113690422A
CN113690422A CN202111012312.0A CN202111012312A CN113690422A CN 113690422 A CN113690422 A CN 113690422A CN 202111012312 A CN202111012312 A CN 202111012312A CN 113690422 A CN113690422 A CN 113690422A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nife
preparation
composite material
nano
salt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111012312.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113690422B (zh
Inventor
刘金云
朱莉影
朱梦菲
韩阗俐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Normal University
Original Assignee
Anhui Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Normal University filed Critical Anhui Normal University
Priority to CN202111012312.0A priority Critical patent/CN113690422B/zh
Publication of CN113690422A publication Critical patent/CN113690422A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113690422B publication Critical patent/CN113690422B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

本发明提供了具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用，利用水热法合成了NiFe‑MOF前驱体，再通过空气煅烧，再进行水热法掺金属，获得具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料。表面为片层结构的复合材料在充放电过程中提供较多的活性位点，解决了体积膨胀问题，使电池具有更好的稳定性。并且本发明中铁盐、钴盐、镍盐或铜盐价格低廉，容易获得，且安全环保等优点。另外本发明可控性好，实验过程简单，产量大，成本低廉。

Description

具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、 制备方法及在锂离子电池的应用
技术领域
本发明属于锂离子电池复合材料技术领域，具体涉及一种具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用，具体是：具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料制备方法以及锂离子电池负极及锂离子电池。
背景技术
如今，化石燃料的过度消耗和严重的环境污染促使人们开发新型高效能量转换、存储材料和设备。储能系统，锂离子电池吸引了大量由于其超高的理论能量密度而受到关注，并认为是最有前途的化石燃料替代能源之一。
综合起来看，锂离子电池具有能量密度大、平均输出电压高、自放电小，而且没有记忆效应、循环性能优越、工作温度范围宽、可快速充放电、充电效率高、输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质等非常多的优点。
但是传统的锂离子电池负极材料如石墨，其理论容量低限制了发展。为此，微纳米材料得到了大量的发展空间，可以利用微纳米材料提高电池容量和循环稳定性。
但是依然存在一些问题，如活性材料不能和电解液充分接触，在充放电过程中体积会发生较大改变，从而使其性能不能完全利用。另外锂离子电池制备过程复杂，矿物资源受限，回收难度大。上述的问题限制着锂离子电池的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料及其制备方法，利用水热法合成了NiFe-MOF前驱体，再通过空气煅烧，再进行水热法掺金属，获得具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料。
本发明另一目的在于提供具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料在锂离子电池的应用，用于制作锂离子电池，具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料制作锂离子电池负极，克服锂离子电池负极材料容量低和循环稳定性差等技术难题。
本发明具体技术方案如下：
具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，具体为：
将微纳米盒NiFe2O4和钴盐、铜盐分散在水中，再加入氟化铵和尿素，进行水热反应，得到具有分层结构的空心纳米立方体四元金属化合物复合材料。
所述的微纳米盒NiFe2O4与钴盐、铜盐、氟化铵、尿素质量比为1-2:2-4:2-4:2-3:4-9；
所述微纳米盒NiFe2O4和水用量比为0.003-0.004g/mL；所述水优选为去离子水；
所述钴盐选自可溶性钴盐，优选的，所述钴盐可选Co(NO3)2·6H2O；所述铜盐选自可溶性铜盐，优选的，所述铜盐选自Cu(NO3)2·3H2O。
所述分散是指磁力搅拌分散；优选为常温常压下磁力搅拌30-35分钟。
所述水热反应条件为120-140℃反应6-10小时；优选为120℃反应8小时。
所述水热反应，反应结束后经离心、洗涤、干燥，制备得到具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料。
上述制备的NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的作为锂离子电池负极材料，极大的提高了纳米复合材料的电导率，具有相对大的比表面积，有助于电解质的有效扩散和电子的转移，NiFe2O4与CuCo导电材料之间的协同具有作用，铜的存在可以提高导电性，并作为体积膨胀的缓冲基质发挥作用，提高比表面积和孔隙率，提供更多的电化学活性位点，并为电化学反应提供更多的扩散通道而不改变结构和相，从而提高电化学性能。
进一步的，将上述铜盐替换为镍盐，制备得到具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料；
具体制备NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的方法为：将微纳米盒NiFe2O4和钴盐、镍盐分散在去离子水中，再加入氟化铵、尿素，进行水热反应，得到具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料；
所述的微纳米盒NiFe2O4与钴盐、镍盐、氟化铵、尿素质量比为1-2:2-4:3-6:2-3:4-9；
所述镍盐选自可溶性镍盐，优选的，所述镍盐可选Ni(NO3)2·6H2O；
保持Ni/Co原料摩尔比不变时，当其浓度较低时，其生长的纳米片厚度不均匀，且排布紧密，易造成电解液空穴(封闭式空穴，电解液不能进入)；当使用本发明原料用量比，生长的纳米片厚度比较均一，孔径分布均匀；浓度更高，样品表面生长的纳米片厚度更小，会出现叠压现象。
所述微纳米盒NiFe2O4的制备方法为：
1)将镍盐、铁盐、1，3，5-苯甲酸和2-甲基咪唑分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，进行水热反应，得到前驱体NiFe-MOF；
2)将步骤1)产物进行煅烧，得到表面粗糙且内部空心的微纳米盒NiFe2O4。
步骤1)中，所述的镍盐、铁盐、1，3，5-苯甲酸和2-甲基咪唑摩尔比为1-2:1-2:2-4:1-3。
步骤1)中所述镍盐选自可溶性镍盐，所述铁盐选自可溶性铁盐。
优选的，步骤1)中所述镍盐选自NiSO4·6H2O或Ni(NO3)2·6H2O；所述铁盐选自Fe(NO3)3·9H2O。
步骤1)所述分散是指磁力搅拌分散；优选为常温常压下磁力搅拌30-35分钟。
步骤1)所述水热反应的条件为150-190℃反应20-24小时；在聚四氟乙烯高压反应釜中进行，优选为170℃反应24小时；
步骤1)中，反应结束后，混合溶液过滤，沉淀用乙醇离心洗涤，烘干得到前驱体NiFe-MOF；
优选的，所述乙醇离心洗涤的次数为4-8次；烘干条件为60-80℃下干燥8-16小时。
步骤2)中，所述煅烧条件为空气气氛中，以升温速率为3-5℃/min升温至500-600℃，在此温度条件下煅烧2-3小时；优选为550℃反应2小时。
本发明制备具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料中，在水热过程中聚结阶段，氟化铵和尿素用于控制团聚速率实现纳米材料的形态转变，表面生长纳米片，单个纳米片的直径约为1μm，使其获得更大的表面积，具有更多的活性位点，从而使得活性材料更充分地和电解液接触，利于促进活性物质的嵌入或脱嵌过程，因此电极材料的表面具有更高的电化学活性，在电池应用方面获得出色的比容量值。反应过程包括NH4F和CO(NH2)2的水解，NH4F为络合剂，它是整个反应体系的稳定剂，可以减慢纳米片生成速度，有利于更完整的结晶。CO(NH2)2为矿化剂，为反应体系提供碱源。水热反应中溶液升温后，尿素分解成氨和CO2，之后再转化为CO3 2-和OH-。之后，金属阳离子(Ni2+和Co3+或Cu2+和Co3+)和逐渐生成的OH-在交互作用下便会在纳米盒表面共沉淀产生NiCo-LDH纳米片，或CuCo-LDH纳米片，CO3 2-则插入夹层结构中以平衡电荷。以尿素作为矿化剂，纳米盒表面生长的纳米片尺寸厚度均一，更加均匀，结晶度更高。均匀生长在纳米盒表面，这种立体开放式的结构非常有利于电解液的浸入，增加活性位点，从而表现出良好的电化学性能。
本发明提供的具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料采用上述方法制备得到，本发明制备得到具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料或NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料，这两种复合材料均是尺寸为7-9μm大小的微纳米盒，其表面生长着均匀的纳米片；表面为片层结构的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料或NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料在充放电过程中提供较多的活性位点，解决了体积膨胀问题，使电池具有更好的稳定性。并且本发明中铁盐、钴盐、镍盐或铜盐价格低廉，容易获得，且安全环保等优点。另外本发明可控性好，实验过程简单，产量大，成本低廉。
本发明提供的具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料在锂离子电池的应用，用于制作锂离子电池，本发明制备的具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料或NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料作为活性物质制备锂离子电池负极，进而制备锂离子电池。
具体应用方法为：
A、所述具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料在锂离子电池为活性物质，按照8:1:1或者7:2:1的比例与导电炭黑及CMC混合均匀后，磁力搅拌8～12小时将其均匀地分散在去离子水中，将所调好的浆液利用涂布器涂布在铜箔上，将其放置在60～80℃的真空干燥箱中，干燥12～24小时后利用压片机进行压片，再用裁片机将其裁成一个小圆形的电极片；
B、将所制的电极片在充满高纯氩气且水氧值均≤0.01ppm的手套箱中组装成纽扣电池，电解液为LiPF6；溶剂是体积比1:1的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)的混合。
具体组装电池的方法为：在电机壳上滴一滴电解液后放置电极片，然后滴加两滴电解液后放置隔膜，在隔膜上滴加一滴电解液后放置锂片作为对电极，随后放入两片泡沫镍，用液压机将电池压紧密封，放置24～28小时，即可。
本发明提供的制备方法制备得到的一种具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料或NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料，首先在N，N-二甲基甲酰胺溶液中加入镍盐、铁盐、1，3，5-苯甲酸、2-甲基咪唑混合均匀进行水热反应；然后将所得产物洗涤干燥后煅烧；将煅烧产物与钴盐、铜盐分散在去离子水中，再加入氟化铵、尿素混合均匀，进行水热反应，得到表面具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料，或者，将煅烧产物与钴盐和镍盐分散在去离子水中，再加入氟化铵、尿素混合均匀，进行水热反应，从而得到表面具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料。
与现有技术相比，本发明中具有立方空心结构的NiFe2O4有助于提供巨大的表面积，同时减轻大体积膨胀/收缩效应，有利于充分渗透电解质和离子传输，提高电池的循环稳定性。另外NiCo-LDH和CuCo-LDH由于其层状结构可以提供与电解质的更大接触面积，从而提高了所得复合材料的循环比容量，增强电池性能。
附图说明
图1为实施例1制备的NiFe-MOF前驱体的SEM图；
图2为实施例1制备的NiFe2O4微纳米盒的SEM图；
图3为实施例1制备的NiFe2O4微纳米盒，将其进行研磨后的SEM图；
图4为实施例1制备的表面具有分层结构内部空心的微纳米盒NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的SEM图；
图5为实施例1制备的表面具有分层结构内部空心的微纳米盒NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的SEM图；
图6为实施例2制备的NiFe2O4微纳米盒的SEM图；
图7为实施例3制备的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的SEM图；
图8为实施例4制备的NiFe2O4微纳米盒的SEM图；
图9为实施例4制备的表面具有分层结构内部空心的微纳米盒NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的SEM图；
图10为实施例4制备的表面具有分层结构内部空心的微纳米盒NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的TEM图；
图11为实施例4制备的表面具有分层结构内部空心的微纳米盒NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料，将其研磨后的SEM图；
图12为实施例4制备的NiFe2O4微纳米盒、NiFe2O4-NiCo-LDH、NiFe2O4-CuCo-LDH的XRD图；
图13为实施例4制备的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在0.2A电流密度下的循环稳定性测试图；
图14为实施例4制备的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在0.2A电流密度下的充放电循环性能测试图；
图15为实施例4制备的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在0.5A电流密度下的循环稳定性测试图；
图16为实施例4制备的NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在不同电流密度下的倍率性能测试图；
图17为实施例4制备的NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在0.3A电流密度下充电，0.2A电流密度下放电的充放电循环性能测试图；
图18为实施例4制备的NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料作为锂离子电池负极材料在低温，电流密度为0.1A下的循环稳定性测试图。
具体实施方式
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
本发明中搅拌装置的搭建：采用磁力搅拌，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)NiFe-MOF的制备：0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.4g Fe(NO3)2·9H2O，0.4g 1,3,5-苯甲酸，0.1g 2-甲基咪唑于烧杯中，加入30ml N，N-二甲基甲酰胺，搅拌30min使其完全溶解，将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在170℃的条件下，反应24小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe-MOF；其SEM图如图1所示，从图中可以看出其为微纳米盒结构；
2)NiFe2O4的制备：取0.2g步骤1)中的产物于瓷舟里，在空气气氛下，以5℃每分钟的升温速率，在500℃的马弗炉里保持2小时后冷却，用乙醇洗涤五次，在60℃干燥6小时后，得到NiFe2O4微纳米盒；其SEM图如图2所示，从图中可以看出其为表面粗糙的微纳米盒，将其进行轻轻研磨，再进行表征测试，便可以看到其内部呈现空心状态。如图3，将NiFe2O4微纳米盒进行轻研，再拍摄扫描电子显微镜图片，从磨碎的缺口处可以清楚地看到纳米盒内部是空心结构。
3)NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的制备：取0.1g步骤2)中的产物，0.3gNi(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应10小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃真空干燥6h，得到NiFe2O4-NiCo-LDH；其SEM图如图4所示，从图中可以看出其为的一种表面生长较为均匀且密集的NiCo-LDH纳米片；
4)NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的制备:取0.1g步骤2)中的产物，0.25gCu(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应10小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-CuCo-LDH，其SEM图如图5所示。
实施例2
具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)NiFe-MOF的制备：0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.4g Fe(NO3)2·9H2O，0.4g 1,3,5-苯甲酸，0.1g 2-甲基咪唑于烧杯中，加入30ml N，N-二甲基甲酰胺，搅拌30min使其完全溶解，将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在150℃的条件下，反应24小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe-MOF；得到分布均匀的微纳米盒。
2)NiFe2O4的制备：取0.2g步骤1)中的产物于瓷舟里，在空气气氛下，在600℃的马弗炉里保持2小时后冷却，用乙醇洗涤五次，在60℃干燥6小时后，得到NiFe2O4；其SEM图如图6所示，由于煅烧温度高，从图中可以直接看出其内部的空心结构，表明其为表面粗糙内部空心的微纳米盒。
3)NiFe2O4-NiCo-LDH的制备：取0.1g步骤2)中的产物，0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.2gCo(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应8小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-NiCo-LDH。
4)NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的制备:取0.1g步骤2)中的产物，0.25gCu(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应8小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料。
实施例3
具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)NiFe-MOF的制备：0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.4g Fe(NO3)2·9H2O，0.4g 1,3,5-苯甲酸，0.1g 2-甲基咪唑于烧杯中，加入30ml N，N-二甲基甲酰胺，搅拌30min使其完全溶解，将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在180℃的条件下，反应20小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe-MOF。
2)NiFe2O4的制备：取0.2g步骤1)中的产物于瓷舟里，在空气气氛下，在550℃的马弗炉里保持2小时后冷却，用乙醇洗涤五次，在60℃干燥6小时后，得到NiFe2O4表面粗糙内部空心的微纳米盒。
3)NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的制备：取0.1g步骤2)中的产物，0.3gNi(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应10小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-NiCo-LDH，其SEM图如图7所示表面片层生长均匀，其能明显看出其内部空心结构。
4)NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的制备:取0.1g步骤2)中的产物，0.25gCu(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应10小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-CuCo-LDH。
实施例4
具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)NiFe-MOF的制备：0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.4g Fe(NO3)2·9H2O，0.4g 1,3,5-苯甲酸，0.1g 2-甲基咪唑于烧杯中，加入30ml N，N-二甲基甲酰胺，搅拌30min使其完全溶解，将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在170℃的条件下，反应24小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe-MOF；其SEM图如图1所示，从图中可以看出其为微纳米盒结构。
2)NiFe2O4的制备：取0.2g步骤1)中的产物于瓷舟里，在空气气氛下，在550℃的马弗炉里保持2小时后冷却，用乙醇洗涤五次，在60℃干燥6小时后，得到NiFe2O4；其SEM图如图8所示，从图中可以看出微纳米盒分布得非常均匀；XRD图如图12。
3)NiFe2O4-NiCo-LDH的制备：取0.1g步骤2)中的产物，0.3g Ni(NO3)2·6H2O,0.2gCo(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应8小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-NiCo-LDH；其SEM图如图9所示，从图中可以看出其为的一种具有分层结构的空心立方体，且片层明显；TEM图如图10所示，从图中可以明显看出其空心结构；XRD图如图12；实施例4制备的表面生长纳米片，而内部呈现空心结构的微纳米盒NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料的TEM图如图10所示。其中内部的空心结构能够有效的缓解充放电过程中的体积变化，充分暴露活性位点以及缩短离子扩散距离，从而表现出良好的电化学性能。
4)NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料的制备:取0.1g步骤2)中的产物，0.25gCu(NO3)2·6H2O,0.2g Co(NO3)2·6H2O,分散在30ml的去离子水中，再加入0.2g NH4F，0.5g尿素，磁力搅拌30min致其溶解。将所得溶液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，在120℃的条件下，反应10小时，反应结束后冷却，以每分钟6000转的速度离心，并用乙醇清洗五次，60℃干燥6h，得到NiFe2O4-CuCo-LDH，其XRD图如图12。如图12为NiFe2O4-CuCo-LDH复合材料研磨后的局部扫描图，由其缺口可以看出内部为空心结构。
实施例5
一种具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH复合材料在锂离子电池中的应用，具体为作为锂离子电池负极活性物质，制作锂离子电池负极，最终制备锂离子电池。
将实施例4制备得到的NiFe2O4-NiCo-LDH为活性物质，按照8:1:1的比例与导电炭黑及CMC混合均匀后，磁力搅拌10小时将其均匀地分散在去离子水中，将所调好的浆液利用涂布器涂布在铜箔上，将其放置在70℃的真空干燥箱中，干燥20小时后利用压片机进行压片，再用裁片机将其裁成一个小圆形的电极片。
将所制的电极片在充满高纯氩气且水氧值均≤0.01ppm的手套箱中组装成纽扣电池。电解液为LiPF6(溶剂是体积比1:1的碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)的混合)。具体组装电池的方法为：在电机壳上滴一滴电解液后放置电极片，然后滴加两滴电解液后放置隔膜，在隔膜上滴加一滴电解液后放置锂片作为对电极，随后放入两片泡沫镍，用液压机将电池压紧密封，放置24小时。
然后在0.2A和0.5A的电流下进行纽扣电池的循环性能、在0.2A的电流下的充放电性能和倍率性能测试，结果如图13、图14、图15、图16所示，从图中可以看出有较稳定的充放电平台和循环倍率性能。由图13可见，电池的循环比容量高，在0.2A g-1电流密度下循环60次后电池比容量仍在800mAh g-1以上，平均充放电效率维持99％以上；由图15可见，在0.5Ag-1电流密度下循环60次后，平均充放电效率仍保持100％。
将实施例4制备得到的NiFe2O4-CuCo-LDH为活性物质,同样如上述方法一样制备电池。在不同电流密度下进行循环和充放电性能的测试，结果如图17、图18所示。由图17可见，电池在0.3A g-1电流密度下充电，0.2A g-1电流密度下放电，在不同的电流密度下进行充放电；由图18可见，将电池零下十摄氏度的低温条件下进行测试；电池在零下十摄氏度，0.1Ag-1电流密度下循环，尽管环境温度严峻，循环一段时间后，电池循环稳定性依然很好，平均充放电效率维持99％左右。
上述参照实施例对一种具有分层结构的空心立方体NiFe2O4-NiCo-LDH和NiFe2O4-CuCo-LDH制备方法及锂离子电池负极和电池进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
将微纳米盒NiFe2O4和钴盐、铜盐分散在水中，再加入氟化铵和尿素，进行水热反应，得到具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的微纳米盒NiFe2O4与钴盐、铜盐、氟化铵、尿素质量比为1-2:2-4:2-4:2-3:4-9。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应条件为120～140℃反应6～10小时。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，将所述铜盐替换为镍盐，微纳米盒NiFe2O4与钴盐、镍盐、NH4F、尿素质量比为1-2:2-4:3-6:2-3:4-9。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述微纳米盒NiFe2O4的制备方法为：
1)将镍盐、铁盐、1，3，5-苯甲酸和2-甲基咪唑分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，进行水热反应，得到前驱体NiFe-MOF；
2)将步骤1)产物进行煅烧，得到表面粗糙且内部空心的微纳米盒NiFe2O4。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的镍盐、铁盐、1，3，5-苯甲酸和2-甲基咪唑摩尔比为1-2:1-2:2-4:1-3。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述水热反应的条件为150～190℃反应20-24小时。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述煅烧条件为空气气氛中，在500-600℃煅烧2-3小时。
9.权利要求1-8任一项所述制备方法制备的具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料。
10.权利要求1-8任一项所述制备方法制备的具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料的应用，其特征在于，用于制作锂离子电池。
CN202111012312.0A 2021-08-31 2021-08-31 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用 Active CN113690422B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111012312.0A CN113690422B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111012312.0A CN113690422B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113690422A true CN113690422A (zh) 2021-11-23
CN113690422B CN113690422B (zh) 2023-04-18

Family

ID=78584422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111012312.0A Active CN113690422B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113690422B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114975937A (zh) * 2022-06-06 2022-08-30 浙江理工大学 氯化钴封装氮掺杂碳空心立方体纳米盒子复合材料及其制备和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108346521A (zh) * 2018-01-08 2018-07-31 华南师范大学 泡沫镍负载的海胆状钴酸铜纳米材料的制备方法
CN109585825A (zh) * 2018-11-28 2019-04-05 成都理工大学 双金属MOF前驱体合成的Ni/NiFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法
CN113113615A (zh) * 2021-04-08 2021-07-13 浙江师范大学 一种NiFe-LDH/Co-CNTs纳米复合材料及其制备方法和应用
CN113184918A (zh) * 2021-03-24 2021-07-30 安徽师范大学 表面生长钴酸铁纳米簇的荷叶仿生结构复合材料及其制备方法和在电池中的应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108346521A (zh) * 2018-01-08 2018-07-31 华南师范大学 泡沫镍负载的海胆状钴酸铜纳米材料的制备方法
CN109585825A (zh) * 2018-11-28 2019-04-05 成都理工大学 双金属MOF前驱体合成的Ni/NiFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法
CN113184918A (zh) * 2021-03-24 2021-07-30 安徽师范大学 表面生长钴酸铁纳米簇的荷叶仿生结构复合材料及其制备方法和在电池中的应用
CN113113615A (zh) * 2021-04-08 2021-07-13 浙江师范大学 一种NiFe-LDH/Co-CNTs纳米复合材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DAWEI CHU等: "A novel dual-tasking hollow cube NiFe2O4-NiCo-LDH@rGO hierarchical material for high preformance supercapacitor and glucose sensor", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》 *
XIAOJIE ZHANG等: "Porous CoFe2O4 nanocubes derived from metal-organic frameworks as high-performance anode for sodium ion batteries", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIEN》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114975937A (zh) * 2022-06-06 2022-08-30 浙江理工大学 氯化钴封装氮掺杂碳空心立方体纳米盒子复合材料及其制备和应用
CN114975937B (zh) * 2022-06-06 2023-09-01 浙江理工大学 氯化钴封装氮掺杂碳空心立方体纳米盒子复合材料及其制备和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN113690422B (zh) 2023-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111952572B (zh) 一种含有单原子活性位点的钴镍双金属氮掺杂碳复合材料
CN110600695B (zh) 蛋黄-蛋壳结构锡@空心介孔碳球材料及其制备方法
CN113725432B (zh) 一种zif-67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法
CN106887575B (zh) 一种钴酸锌/石墨烯复合负极材料及其制备方法和锂离子电池
CN108183213B (zh) 一种三氧化二铁/碳/碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法
CN101640266B (zh) 锂离子电池高电压正极材料的制备方法
CN111952570A (zh) 一种含有单原子活性位点的钴氮碳复合材料及其制备方法和应用
CN113104824A (zh) Se掺杂Fe2P自支撑钠离子电池负极材料的制备方法
CN106927508B (zh) 一种蜂窝状纳米结构MnO2锂离子电池阳极材料的制备方法
CN109279663B (zh) 一种硼酸盐类钠离子电池负极材料及其制备和应用
CN108400296A (zh) 异质元素掺杂四氧化三铁/石墨烯负极材料
CN102544473A (zh) 锂离子电池正极材料层状锰酸锂及其制备方法
CN103531789A (zh) 一种铁氧化物-碳纳米管三元复合材料及其制备方法
CN108428882B (zh) 一种硅酸锌/碳微纳分级结构复合物及其制备方法
CN113690422B (zh) 具有分层结构的空心纳米立方体多元金属化合物复合材料、制备方法及在锂离子电池的应用
CN111384389A (zh) 一种三元材料的前驱体
CN108232186B (zh) 一种单晶颗粒的制备方法及其在二次电池中的应用
CN113410459A (zh) 一种内嵌MoSx纳米片的三维有序大孔类石墨烯炭材料、制备与应用
CN113066966A (zh) 一种多层核壳结构二元钴镍金属氧化物包裹聚苯胺纳米复合材料及其制备方法和应用
Yang et al. Binder-free layered ZnO@ Ni microspheres as advanced anode materials for lithium-ion batteries
CN108011088B (zh) 一种具有核壳球形结构Fe2O3/SnO2锂离子电池电极材料及其制备方法
CN114094063B (zh) 一种利用空腔前驱体与zif衍生物相结合制备电池负极材料的方法
CN106067548B (zh) 一种SnO2/钨酸铁锂/碳复合纳米材料及其制备方法
CN107394177B (zh) 一种钠离子电池负极用碳酸氢镍/石墨烯复合材料及其制备方法与应用
CN111354942A (zh) 一种微米级棒状锰酸锂及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant