[發明專利]碳包覆四氧化三鐵及其制備方法和在鋰離子電池中的應用

有效

• 申請號: 201210474904.9
• 申請日: 2012-11-21
• 公開（公告）號: CN103117388A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 王惠;白晉濤;王剛;王貝貝
• 申請（專利權）人: 西安銀泰新能源材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M10/0525
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 謝鋼

技術領域

本發明涉及鋰離子電池用碳包覆金屬氧化物型復合電極材料制備，具體涉及一種碳包覆Fe₃O₄電極材料的制備方法。

背景技術

鋰離子電池由于能量密度高，循環壽命長，荷電保持能力強以及環境友好等優點而被廣泛應用于各種便攜式電子設備、電動汽車、航天航空、太陽能發電和儲能等領域。目前商品化鋰離子電池的負極材料多選用石墨類碳材料，但由于該類材料在使用過程中存在比容量低（石墨理論容量372?mAh/g）和循環衰減過快等問題，極大地限制了其在高能量密度型動力鋰電池上的應用。考慮到鋰離子電池良好的經濟效應、社會效益和戰略意義促進了更高功率密度，良好安全性且價格低廉的鋰離子電池的開發。為此，需要尋找比容量更高（>?600?mAh/g），容量發揮穩定，優異倍率性能的負極材料，以替代傳統的石墨類負極材料。

由于金屬氧化物（M_xO_y）具有遠高于石墨的理論比容量，如Fe₂O₃為1005?mAh/g?（Journal?of?Alloys?and?Compounds,?2011,?509,?L216-L220），Fe₃O₄為926?mAh/g?（Materials?Chemistry?and?Physics,?2011,?128,?336-340）。氧化鐵材料有望應用于高能量密度或動力型鋰離子電池中。然而由于M_xO_y的本質缺陷，目前仍無法得到可實際應用的鋰離子電池用金屬氧化物負極材料。其主要原因有：(1)?M_xO_y的導電性較差，電子或離子電導率低，反應可逆性降低過快；(2)?M_xO_y反復與Li反應過程會發生體積膨脹，最終導致粉化而使其與集流體失去電接觸，損失容量；(3)?M_xO_y反復與Li反應過程會有團聚發生，參與電極反應的M_xO_y將會不斷減少；(4)?M_xO_y會與電解液發生副反應不可逆地消耗鋰。

發明內容

本發明的目的是提供一種成本低、比容量高、倍率性能優異且循環壽命長的碳包覆氧化鐵電極材料。

本發明另一目的是提供上述碳包覆氧化鐵電極材料的制備方法。

本發明的實現過程如下：

一種碳包覆四氧化三鐵，其碳包覆量為5~40%，采取如下方法制備得到，將Fe₂O₃在Ar氣氛下于500-700?℃通入乙炔氣進行Fe₂O₃的還原和碳包覆，其中Ar和乙炔的流速比為100?:?1～10，即可得到碳包覆Fe₃O₄復合材料。

上述反應時間優選為10～30分鐘。

上述Fe₂O₃可采用市售Fe₂O₃，也可采用現有文獻方法制備。在此，發明人提供以下Fe₂O₃制備方法。

（1）將FeCl₃?6H₂O、乙酸銨與聚乙烯吡咯烷酮溶于水，其中FeCl₃?6H₂O、乙酸銨、聚乙烯吡咯烷酮和去離子水的質量比為（1-6）：（1-5）：（1-8）：（200-300）；

（2）將上述溶液置于密閉反應器中120-160?℃反應12-24?h；

（3）收集沉淀、干燥得Fe₂O₃。