[发明专利]一种Co3O4/N-RGO/HSAs复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种四氧化三钴/石墨烯复合材料(Co₃O₄/N‑RGO)的制备方法及其在镍氢电池及锂离子电池中的应用。该复合材料是按照以下步骤制备的：a、根据改进的Hummers方法制备氧化石墨；b、醋酸钴在氨水的调节作用下水解、氧化并在氧化石墨表面原位生长超小的Co₃O₄纳米粒子；c、Co₃O₄纳米粒子的进一步晶化和氧化石墨的还原。Co₃O₄/N‑RGO复合材料作为电极材料，其独特的结构特性以及Co₃O₄与N‑RGO之间的协同效应显著提高了镍氢电池和锂离子电池的高倍率放电性能。对于镍氢电池，在放电电流密度为3A/g时其放电容量高达223.1mAh/g，是商用储氢合金的3.2倍(68.7mAh/g)。对于锂离子电池，在电流密度为10A/g时仍保持较高的放电容量，为423.6mAh/g。本发明为研发高功率型电池提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及四氧化三钴/石墨烯复合材料(Co₃O₄/N-RGO)的制备及其作为镍氢电池和锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

新能源汽车、电动工具和军事装备等对高功率型电池的需求日益增加。因此，大量的研究工作集中在开发具有优异倍率性能的电极材料上。过渡族金属氧化物被认为是电池和电容器的理想材料之一。其中，Co₃O₄由于其高容量、低成本和高的催化活性而引起了广泛的关注。然而，其电化学性能通常受制于低的电导和缓慢的离子扩散速率。研究者们提出了几种有效的方法来缓解这些问题：制备纳米材料以缩短离子扩散距离，增大比表面积；与碳材料进行复合以提高电极的导电性等。这里，我们基于协同效应，制备了Co₃O₄纳米立方体与氮掺杂石墨烯的复合材料，并将其作为电极材料应用于镍氢电池和锂离子电池中。在该复合材料中，氮掺杂石墨烯作为导电基底可均匀的负载Co₃O₄纳米立方体以提高Co₃O₄的导电性；同时，Co₃O₄纳米立方体可提供高的放电容量和电催化活性。另外，Co₃O₄纳米立方体钉扎在氮掺杂石墨烯上，而氮掺杂石墨烯支撑着Co₃O₄，共同形成了一个三维导电网络结构，有利于缩短离子扩散距离，提高离子和电子的扩散速率。

发明内容

本发明的目的是涉及四氧化三钴/石墨烯复合材料(Co₃O₄/RGO)的制备方法及作为镍氢电池和锂离子电池负极材料的应用。通过Co₃O₄纳米立方体与N-RGO的协同效应使得该Co₃O₄/N-RGO复合材料具有较小的电极内阻，较快的电子和离子扩散速率，作为电池电极材料表现出优良的倍率放电性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种四氧化三钴/石墨烯复合材料(Co₃O₄/RGO)的制备方法，包括以下步骤：

a、根据改进的Hummers方法合成氧化石墨；

b、在22~25 °C，将1~2 ml 0.2 M的醋酸钴，1~2 ml 4.5 mg/ml的氧化石墨加入到34~36 ml的无水乙醇中，超声分散20~30 min，然后在75~85 °C加热9~10 h使醋酸钴水解、氧化并在氧化石墨表面原位生长超小的Co₃O₄纳米粒子；