在导电衬底上制备三维LiCoO2纳米阵列的方法技术

本发明专利技术公开了一种在导电衬底上制备锂离子电池LiCoO2纳米阵列的方法。以硝酸钴为钴源，氢氧化锂、硫酸锂或氯化锂等为锂源，通过两步水热、两步烧结的方法，在导电衬底上制备LiCoO2纳米线/纳米片阵列，导电衬底包括碳布及金属衬底，如金片、铂片。本发明专利技术还研究了水热温度、烧结温度以及锂源对电池性能的影响。本发明专利技术所制得的LiCoO2具有纯度高、粒径分布均匀等优势，为制备LiCoO2薄膜微电池及柔性电池提供了新的研究思路，具有较大的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种在导电衬底上制备锂离子电池LiCoO2。以硝酸钴为钴源，氢氧化锂、硫酸锂或氯化锂等为锂源，通过两步水热、两步烧结的方法，在导电衬底上制备LiCoO2纳米线/纳米片阵列，导电衬底包括碳布及金属衬底，如金片、铂片。本专利技术还研究了水热温度、烧结温度以及锂源对电池性能的影响。本专利技术所制得的LiCoO2具有纯度高、粒径分布均匀等优势，为制备LiCoO2薄膜微电池及柔性电池提供了新的研究思路，具有较大的实用价值。【专利说明】在导电衬底上制备三维LiCoO2
本专利技术属于锂离子电池正极材料
，具体涉及一种导电衬底三维LiCoO2纳米阵列的制备方法。
技术介绍
随着全球能源问题的日益突出，各国对于新一代清洁能源的开发显得十分紧迫。锂离子电池是当今国际公认的理想化学能源，具有体积小、电容量大、电压高等优点，被广泛用于移动电话、手提电脑等电子产品，日益扩大的电动汽车领域将给锂离子电池带来更大的发展空间。近年来，作为下一代最有前景之一的柔性光电子器件，其研究备受瞩目。但如何将柔性构建的思路与基于纳米材料的锂离子电池相结合，并与此同时获得高电池性能、优良弯折稳定性的锂离子电池，仍是困扰大多数科研人员的一个巨大难题。这种将柔性纳米材料阵列用于研究设计新颖的高性能柔性锂离子电池的技术有望得到进一步的拓展，非常有希望满足未来柔性能源存储的发展需要，也将为今后柔性光电子器件的研究提供了新的思路。 各种微电子和生物医学领域的小型设备的产生，使得对固态薄膜微电池的需求急剧上升。对于具有二维(2D)几何形状的薄膜微电池的设计而言，由于电池占位面积有限制，较小的电极面积会造成二维电池储存容量的减小，厚度的增加会延长锂离子的扩散长度，进而导致电池功率密度的下降。二维(2D)微电池结构功率的不足促进了三维(3D)微电池体系结构的发展，三维电极不仅不需要传统电极制备中的涂覆等工艺，而且还为锂离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径。应用三维结构的电池，可获得高的面积能量密度和面积功率密度。更重要的是，这种阵列结构避免了在充放电过程中由于体积变化产生的结构破碎致使的电化学性能衰减。目前，三维微电池方面的研究还比较少，而且其中大部分还是集中于3D负极电极柱阵列的制作和半电池的性能测试，制备完整的三维结构锂离子微电池还有很多问题要解决。对于三维正极材料的研究十分有限，这主要是由于正极阵列合成中存在种种困难。LiCoO2由于其优异的电化学性能和合成简单等优点成为了目前最常用的锂离子电池正极材料。LiC0Odg据其制备方法和合成温度可以划分成两种晶体结构。其中高温(HT) LiCoO2具有六方层状结构，而低温(LT)LiCoO2则具有立方尖晶石结构。尽管目前有使用氧化铝(AAO)作为模板来制备LiCoO2纳米线阵列的报导，但其中并未给出任何的电化学性能。而目前对于LiCoO2三维纳米阵列的研究还不完善，故此研究出一种新型有效的LiCoO2三维纳米阵列的制备方法显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简单的在导电衬底上制备锂离子电池三维LiCoO2。本专利技术的方法反应条件温和简单，成本低廉，是一种制备高性能三维LiCoO2纳米阵列材料的方法。 本专利技术是通过以下技术方案来实现的，一种在导电衬底上制备三维LiCoO2，包括以下步骤: I)配制一定量的Co (NO3) 2、NH4F和CO (NH2) 2的混合溶液； 2)将导电衬底浸入装有上述混合溶液的水热釜中，在80_120°C的条件下水热反应 5-6h ； 3)水热反应结束后自然冷却到室温,用去离子水和无水乙醇清洗导电衬底,将清洗过后的导电衬底置于马弗炉中，在400°C下烧结4h ； 4)将导电衬底置于装有锂源溶液的水热釜中，在240°C的条件下水热反应48-168h ； 5)水热反应结束后自然冷却到室温，用去离子水和无水乙醇清洗导电衬底，将清洗过后的导电衬底置于马弗炉中，在750-850°C下烧结2h，烧结结束后即可得导电衬底上的三维LiCoO2纳米阵列。 步骤I中所述的混合溶液中Co (NO3) 2浓度为0.1M, NH4F浓度为0.2M，CO (NH2) 2浓度为0.5M。 步骤4中所述的锂源溶液为饱和的L1H、LiCl或Li2SO4溶液；锂源溶液的体积占水热釜体积的60-80%。 本专利技术与现有技术相比，具有如下优点: I)本专利技术采用碳布、金片或钼片为衬底，通过本专利技术方法，以LiCoO2晶体在衬底上聚集存在。有利于合成微观形貌参数可调、电性能优良的LiCoO2薄膜电极； 2)本专利技术采用简单的水热和烧结工艺，工艺设备简单，可重复性高，适合大批量生产。所得的LiCoO2纳米阵列分布均匀，结晶度高，电化学性能优良，目前采用该方法制备三维LiCoO2纳米线/纳米片阵列的方法鲜有报道。 3)本专利技术的方法为制备三维LiCoO2柔性电池提供了新的研究思路，具有较大的实用价值。 下面参考下列附图进一步论述本专利技术的其它实施方案。应该理解上面的概述和下面的详述都只是示例性和说明性的，而不是限制本专利技术。 【专利附图】【附图说明】 图1是实例I条件下得到的Au衬底上Co3O4纳米线阵列的扫描电镜(SEM)图。 图2是实例I条件下得到的Au衬底上低温LiCoO2纳米线阵列的扫描电镜(SEM)图。 图3是实例I条件下得到的Au衬底上高温LiCoO2纳米线阵列的扫描电镜(SEM)图。 图4是实例2条件下得到的Au衬底上高温LiCoO2纳米片阵列的扫描电镜(SEM)图。 图5是实例3条件下得到的Au衬底上高温LiCoO2纳米线阵列的扫描电镜(SEM)图。 图6是实例4条件下得到的碳布衬底上LiCoO2纳米片阵列的扫描电镜(SEM)图。 图7是在实例I条件下得到的各步骤产物的X射线衍射(XRD)图谱，其中a为Au衬底，b为Co3O4, c为低温LiCoO2, d为高温LiCo02。 图8是在实例I条件下得到的Au衬底上低温LiCoO2纳米线阵列和高温LiCoO2纳米线阵列的循环性能对比图。 图9是在实例2条件下得到的Au衬底上高温LiCoO2纳米片阵列的充放电曲线。 图10是在实例4条件下得到的碳布衬底上低温-高温相混合LiCoO2纳米片阵列的充放电曲线。 图11是在实例5条件下得到的碳布衬底上低温-高温相混合LiCoO2纳米片阵列的充放电曲线。 图12是在实例6条件下得到的Au衬底上高温LiCoO2纳米线阵列的充放电曲线。 【具体实施方式】 本专利技术中LiCoO2的晶体结构使用X射线衍射仪(Bruker_D8)进行测定,其形貌使用扫描电子显微镜(FE1-Quanta-250F)来进行测定。 本专利技术中将衬底上三维LiCoO2纳米阵列的组装成Swagelok类型的电池，采用金属锂箔作为对电极和参比电极，导电衬底上三维LiCoO2阵列作为工作电极，以及lMLiPF6 (EC/DEC, 1:1体积比)作为电解液，电池于充有氩气的手套箱之中进行装配。电池的充放电实验在新威(Newware)电池测试系统上进行。电化学性能采用CHI660D电化学工作站进行测试。 实施例1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在导电衬底上制备三维LiCoO2纳米阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制Co(NO3)2、NH4F和CO(NH2)2的混合溶液；2)将导电衬底浸入装有上述混合溶液的水热釜中，在80‑120℃的条件下水热反应5‑6h；3)水热反应结束后自然冷却到室温，用去离子水和无水乙醇清洗导电衬底，将清洗过后的导电衬底置于马弗炉中，在400℃下烧结4h；4)将导电衬底置于装有锂源溶液的水热釜中，在240℃的条件下水热反应48‑168h；5)水热反应结束后自然冷却到室温，清洗导电衬底，将清洗过后的导电衬底置于马弗炉中，在750‑850℃下烧结2h，烧结结束后即可得导电衬底上的三维LiCoO2纳米阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晖，洪彩云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32