[发明专利]钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布及其制法和应用

说明书

本发明提供了一种钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布及其制法和应用。制备方法包括：通过PECVD反应，在碳布上生长垂直石墨烯，得到第一碳布；将2‑甲基咪唑和硝酸钴分别均匀分散于水中，得到第一溶液；将第一碳布加入到第一溶液中混合搅拌，反应4h‑5h生长Co‑MOF，清洗、干燥得到第二碳布；将第二碳布在氩气保护下进行退火处理，得到钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布。由本发明的钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布组装的钠离子全电池可以实现良好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布及其制备方法，属于碱金属电池技术领域。

背景技术

目前锂离子电池已经占据绝大多数储能市场，由于其较高的能量密度以及稳定的安全系数，已经商业化并受到大家越来越多的欢迎和开发。众所周知，锂资源相当稀缺且分布不均，据预测到2025年，金属锂的消耗将超过其产量的20％。因此，寻找一种可替代的碱金属电池显得尤为重要。在元素周期表中，和金属锂同一主族紧挨着的是钠，由于钠离子无法在石墨负极中储能，限制了其商业发展，因此设计一种新型钠离子电池负极材料成为重中之重。

钠金属负极最近也受到很多关注，主要由于其储量丰富及最高的理论容量(1165mAh/g)。然而钠金属负极在使用中仍存在这三大问题：1、枝晶生长多；2、库伦效率低；3、体积效应大。因此，设计一种可以抑制枝晶生长、抑制体积效应并提升库伦效率的集流体成为当务之急。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布集流体的合成方法及其应用。

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种库伦效率高、循环性能稳定的钠离子储能器件。

为了实现上述目的，本发明首先提供了一种钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布的制备方法，其中，该制备方法包括以下步骤：

通过PECVD反应，在碳布上生长垂直石墨烯，得到第一碳布；

将2-甲基咪唑和硝酸钴分别均匀分散于水中，得到第一溶液；

将第一碳布加入到第一溶液中混合搅拌，反应4h-5h生长Co-MOF，清洗、干燥得到第二碳布；

将第二碳布在氩气保护下进行退火处理，得到钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布。

由本发明的上述制备方法制备得到的钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布，钴颗粒分布均匀，垂直石墨烯生长分布均匀；用于钠离子储能器件钠金属负极保护，具有钠金属沉积均匀、枝晶生长少的优点。碳布具有较好的导电性和机械稳定性，利于钠的直接熔融，垂直石墨烯结构能够很好地缓解钠金属沉积剥离所带来的体积膨胀，钴颗粒的均匀分布为钠金属的沉积带来了大量的沉积位点，促进了钠金属的均匀沉积，最终组装的钠离子全电池实现了良好的电化学性能。

在本发明的钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布的制备方法，具体包括以下步骤：

(a)将碳布置于CVD炉内，抽真空，通入氩气和甲烷，通过PECVD在500-600℃条件下生长垂直石墨烯得到第一碳布，将2-甲基咪唑和硝酸钴分别均匀分散于水中，并进行混合得到第一溶液；

(b)将所述第一碳布放入所述第一溶液中磁力搅拌，反应4-5h进行Co-MOF生长，取出清洗干燥得到第二碳布；将所述第二碳布置于管式炉内，氩气保护退火得到钴颗粒均匀分布的长有垂直石墨烯的碳布。

在本发明的一具体实施方式中，PECVD反应，是将所述碳布置于CVD炉内通入100-150sccm氩气和10-20sccm甲烷，抽真空至3Pa以下，以1-20℃/min的升温速率至500℃-600℃下进行垂直石墨烯生长0.5-1h。

在本发明的一具体实施方式中，2-甲基咪唑和硝酸钴的摩尔质量比为6-8:1。