一种钴基化合物异质结复合材料及其应用制造技术

一种钴基化合物异质结复合材料及其应用，它涉及一种复合纳米材料及其应用。本发明专利技术的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应和现有微孔聚丙烯作为隔膜存在润湿性低、电解液保液性差、离子电导率低、无锚定多硫化物作用的问题。一种钴基化合物异质结复合材料是CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管的复合物，具有三维立体网络结构，其中碳纳米管的直径为10～50nm，壁厚为3～20nm，CoSe2/CoO纳米棒被碳纳米管所包裹，离散而均匀的分布在导电碳纳米管中。方法：一、制备CoSe2/CoO纳米棒；二、复合。一种钴基化合物异质结复合材料作为锂硫电池的隔膜或正极使用。隔膜或正极使用。隔膜或正极使用。

【技术实现步骤摘要】
一种钴基化合物异质结复合材料及其应用


[0001]本专利技术涉及一种复合纳米材料及其应用。

技术介绍

[0002]锂硫电池是锂电池的一种。典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。锂硫电池的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。反应的中间产物锂多硫化合物Li2S
n
(n＝3～8)会溶解到有机电解液中，能在正负极之间迁移，从而导致穿梭效应，是限制锂硫电池发展和实际应用的主要原因。
[0003]针对这一问题，现有技术多从隔膜方面加以改进；目前锂硫电池通常采用商业化的微孔聚丙烯(PP)膜作为隔膜，其优点是具有良好的机械性能和化学稳定性。但其缺点是：润湿性低、电解液保液性差、离子电导率低、无锚定多硫化物作用等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应和现有微孔聚丙烯作为隔膜存在润湿性低、电解液保液性差、离子电导率低、无锚定多硫化物作用的问题，而提供一种钴基化合物异质结复合材料及其应用。
[0005]一种钴基化合物异质结复合材料，是CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管的复合物，具有三维立体网络结构，其中碳纳米管的直径为10～50nm，壁厚为3～20nm，CoSe2/CoO纳米棒被碳纳米管所包裹，离散而均匀的分布在导电碳纳米管中，CoSe2/CoO纳米棒的横向尺寸为30～300nm，表面粗糙，具有颗粒状结构；CoSe2/CoO纳米棒中CoSe2和CoO均为p型半导体，CoO的带隙为1.9～2.2eV，CoSe2的带隙为1.5～1.8eV。
[0006]一种钴基化合物异质结复合材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
[0007]一、制备CoSe2/CoO纳米棒：
[0008]①
、将Co(NO3)2、NH4F和尿素加入到去离子水中，搅拌，得到混合溶液；
[0009]②
、将混合溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，再在110℃～130℃下水热反应，得到反应产物；使用去离子水对反应产物洗涤，再真空干燥，得到前驱体；
[0010]③
、将前驱体转移到管式炉的中心下游一侧的瓷舟中，并将硒粉放在相应的上游一侧的瓷舟中，随后在Ar气氛下，将管式炉从室温升温至400℃～450℃，再在400℃～450℃下保温，保温结束冷却至室温，得到CoSe2/CoO纳米棒；
[0011]二、复合：
[0012]将CoSe2/CoO纳米棒和碳纳米管混合，得到混合物；将混合物进行研磨，得到CoSe2/
CoO纳米棒与碳纳米管的复合物，即为钴基化合物异质结复合材料。
[0013]一种钴基化合物异质结复合材料作为锂硫电池的隔膜或正极使用。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015]一、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，具有三维立体网络结构，有利于电解液的渗透和离子快速传输；
[0016]二、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，其中碳纳米管直径为10
‑
50nm，壁厚3
‑
20nm，碳纳米管均匀地包裹在CoSe2/CoO纳米棒周围，使其离散而均匀的分布于导电碳纳米管中，有利于电子的快速传导；
[0017]三、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，CoSe2/CoO纳米棒的横向尺寸为30～300nm，纳米棒表面粗糙，具有颗粒状结构和丰富的CoSe2/CoO异质界面，用作催化剂，可提供了较多的活性位点，有利于催化活性和性能的提升；
[0018]四、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，CoSe2/CoO纳米棒具有丰富的CoSe2/CoO异质界面。由于CoSe2和CoO二者均为p型半导体，且费米能级不同，界面处的电子自发的由CoO流向CoSe2，二者所产生的协同效应有利于电子的快速传导和优异的电化学性能。
[0019]五、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，CoSe2/CoO纳米棒具有丰富的CoSe2/CoO异质界面，用于锂硫电池时，二者界面处形成的内建电场对多硫化物的产生强吸附作用，为更好地锚定溶解在电解液中的多硫化锂创造了条件，有利于抑制穿梭效应；
[0020]六、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，CoSe2/CoO纳米棒具有丰富的CoSe2/CoO异质界面，用于锂金属电池时，二者界面处形成的内建电场对锂离子的吸引作用，可均匀锂离子通量，提升锂负极的稳定性；
[0021]七、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，用于锂硫电池时，CoO和CoSe2二者协同作用，可通过莫特
‑
肖特基效应对硫物种的转化产生选择性催化作用，即减缓单质硫向长链多硫化物的转化并加快长链多硫化物向硫化二锂的转化，从而减少多硫化合物在电解液中的积累，有效地抑制多硫化物穿梭，为锂硫电池的研究和实际应用提供了理论依据和技术支撑；
[0022]八、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，用于锂硫电池时，由于莫特
‑
肖特基效应，电子会在CoSe2和CoO的异质界面发生转移，带正电荷的CoO可以在化学上锚定带负电荷的聚硫化物，带负电荷的CoSe2倾向于吸附电解质中的Li
+
，从而促进多硫化锂的转化，减弱穿梭效应，最终改善活性物质损失和容量的衰减，增强锂硫电池性能；
[0023]九、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，用于锂硫电池时，CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物为三维立体网络结构，可以对溶解在电解液中的多硫化锂产生物理阻挡作用，有效地减缓穿梭效益。碳纳米管作为导电骨架，形成相互连通的网络结构，有利于电解液的渗入和离子/电子的快速传导，同时CoSe2/CoO纳米棒在导电碳纳米管中均匀的分布，能促进Li2S的三维沉淀，从而获得更好的电化学性能；
[0024]十、本专利技术获得的一种钴基化合物异质结复合材料，即CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管复合物，工艺巧妙、加工设备价格低廉、程序和方法简单，成本低，有利于大规模工业化生产；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钴基化合物异质结复合材料，其特征在于其是CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管的复合物，具有三维立体网络结构，其中碳纳米管的直径为10～50nm，壁厚为3～20nm，CoSe2/CoO纳米棒被碳纳米管所包裹，离散而均匀的分布在导电碳纳米管中，CoSe2/CoO纳米棒的横向尺寸为30～300nm，表面粗糙，具有颗粒状结构；CoSe2/CoO纳米棒中CoSe2和CoO均为p型半导体，CoO的带隙为1.9～2.2eV，CoSe2的带隙为1.5～1.8eV。2.根据权利要求1所述的一种钴基化合物异质结复合材料的制备方法，其特征在于是按以下步骤完成的：一、制备CoSe2/CoO纳米棒：
①
、将Co(NO3)2、NH4F和尿素加入到去离子水中，搅拌，得到混合溶液；
②
、将混合溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，再在110℃～130℃下水热反应，得到反应产物；使用去离子水对反应产物洗涤，再真空干燥，得到前驱体；
③
、将前驱体转移到管式炉的中心下游一侧的瓷舟中，并将硒粉放在相应的上游一侧的瓷舟中，随后在Ar气氛下，将管式炉从室温升温至400℃～450℃，再在400℃～450℃下保温，保温结束冷却至室温，得到CoSe2/CoO纳米棒；二、复合：将CoSe2/CoO纳米棒和碳纳米管混合，得到混合物；将混合物进行研磨，得到CoSe2/CoO纳米棒与碳纳米管的复合物，即为钴基化合物异质结复合材料。3.根据权利要求2所述的一种钴基化合物异质结复合材料的制备方法，其特征在于步骤一
①
中所述的Co(NO3)2、NH4F和尿素的摩尔比(3～5):(4～6):(9～11...

【专利技术属性】
技术研发人员：武立立，张喜田，马文婕，邵智韬，邓思宇，
申请(专利权)人：哈尔滨师范大学，
类型：发明
国别省市：