[发明专利]一种氮掺杂CoB合金的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂CoB合金，由硼氢化钠溶液在超声的条件下还原氯化钴、含氮碱性化合物的混合溶液后，再经洗涤、真空干燥制得，其比表面积为20~50 m²/g，颗粒直径的范围在300~600 nm之间。作为电池负极材料的应用时，电化学容量在100 mA/g的放电电流密度下，首次放电比容量值达500~1000mAh/g，100次循环后为300~500mAh/g，容量保持率为30~50%，极限扩散电流密度为1000~6000mA/g。其制备方法包括：步骤1将氯化钴和含氮碱性化合物溶于水得到混合溶液；步骤2配制硼氢化钠溶液，并以一定的速度滴加到步骤1的混合溶液中得到黑色悬浊液；步骤3将黑色悬浊液过滤，洗涤，干燥后值得。本发明具有均匀的颗粒分布，且电化学动力学性能优良，在二次电池、超级电容器等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及碱性二次电池技术领域，具体涉及一种氮掺杂CoB合金的制备方法及其应用。

背景技术

碱性二次电池是以氢氧化钾等碱性水溶液为电解液的二次电池的总称，主要包括镍镉、镍氢、镍锌、锌锰、镍铁和锌银等电池，因为具有价格低廉、比能量较高、功率大、安全性能好、工作温度范围宽等特点，近年来被广泛用于通讯、照明和电动工具等。碱性二次电池的负极材料主要是金属或合金，近几年，科研工作者发现钴及钴基合金有比较优异的电化学性能，如CoB、CoSi、CoP、CoS和Co-Si₃N₄等。Co电极的理论电化学容量（909 mAh/g）远远超出商品化稀土系AB₅型合金的理论电化学容量（330 mAh/g左右），其循环稳定性更是远高于目前Mg₂Ni基储氢合金电极所能达到的水平。

已有研究表明，CoB合金中，由于B的活化剂作用，超细Co-B合金电极在碱性溶液中显示出了较高的电化学容量，而且具有优异的循环稳定性，因而有望成为一种新型的碱性二次电池负极材料。但是目前研究中（Metals 2016, 6: 269），合金仍然存在电化学容量低（放电电流密度为100 mA/g 时，100次循环时放电比容量为306.4 mAh/g）、循环稳定性差（100次时的容量保持率为36.28%）、颗粒易发生团聚等技术问题。

因此，如何获得一种电化学容量高，具有较高循环稳定性且颗粒分布均匀的CoB合金成为领域内广泛关注的焦点之一。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，利用传统化学还原法，提供一种氮掺杂CoB合金及其制备方法，实现提高合金电化学容量和循环稳定性的目的。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮掺杂CoB合金，由硼氢化钠溶液在超声的条件下还原氯化钴、含氮碱性化合物的混合溶液后，再经洗涤、真空干燥制得，其中，含氮碱性化合物为尿素或三聚氰胺。氮掺杂CoB合金是非晶结构，其比表面积为20~50 m²/g，颗粒直径的范围在300 ~ 600 nm之间。

氮掺杂CoB合金作为电池负极材料的应用，其电化学容量在100 mA/g 的放电电流密度下，首次放电比容量值达500~1000mAh/g，100次循环后仍为300~500 mAh/g，容量保持率为30~50%，其极限扩散电流密度为2000~6000mA/g。

氮掺杂CoB合金的制备方法包括以下步骤：

步骤（1），将氯化钴和含氮碱性化合物按物质的量之比为(1~5):1溶于水得到一定浓度的混合溶液；

步骤（2），配制硼氢化钠的含量满足氯化钴和硼氢化钠的物质的量比为1:(4~6)的关系的硼氢化钠溶液，取体积为步骤（1）所述混合溶液体积的一半的硼氢化钠溶液，在25℃并且进行超声的条件下，以0.5~5.0 mL/min的速度滴加到步骤（1）所述的混合溶液中得到黑色悬浊液；