[發明專利]一種活化碳納米管/氧化鐵鋰離子電池電極材料的制備方法

無效

• 申請號: 201210486059.7
• 申請日: 2012-11-26
• 公開（公告）號: CN103022422A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 馬杰;陳君紅;楊明軒;李程;范海波;李強
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393;H01M4/1391;B82Y30/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于能源納米新功能材料技術領域，具體涉及一種活化碳納米管/氧化鐵鋰離子電池電極材料的制備方法，該方法一步法實現活化碳納米管比表面積的提高，同時實現磁性氧化鐵在碳納米管表面的修飾，將其應用于鋰離子電池中具有較好的電池性能。

背景技術

由于鋰離子電池具有高電壓、高容量和高能量的優點，且循環壽命長、安全性能好，使其在便攜式電子設備、電動汽車、空間技術、國防工業等多方面具有廣闊的應用前景，成為近幾年廣為關注的研究熱點。鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+?在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。是現代高性能電池的代表。鋰離子電池負極材料的電導率一般都較高，應選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料或金屬氧化物。可逆地嵌入脫嵌鋰離子的負極材料要求具有：(1)在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小；(2)鋰離子在負極的固態結構中有高的擴散率；(3)高度可逆的嵌入反應；(4)有良好的電導率；(5)熱力學性質穩定，同時與電解質不發生反應。現今對于負極材料的研究主要集中在碳素材料、錫基極材料、鋰過渡金屬氧化物和其他一些金屬氧化物上。碳材料(理論比容量372?mAh/g)是目前商品化的鋰離子電池所使用的負極材料。由于其電極電位低、循環效率高(＞95%)、循環壽命長和安全性能好等優點，確保了其在目前商業電池應用中成為第一選擇對象。用于鋰離子電池的碳負極材料包括了石墨、無定型碳、碳納米管和石墨烯等。石墨是鋰離子電池碳材料中應用最早、研究最多的一種，具有完整的層狀晶體結構，有利于鋰離子的脫嵌，能與鋰形成鋰-石墨層間化合物。鋰在石墨中的脫/嵌反應主要發生在0～0.25?V之間，具有良好的充放電電壓平臺，與提供鋰源的正極材料匹配性較好，所組成的電池平均輸出電壓高，是一種性能較好的鋰離子電池負極材料。碳納米管具有大量的孔隙結構，可以為鋰的脫/嵌反應提供大量的位點，同時碳納米管又具有良好的電學性能，目前稱為鋰離子電池負極材料研究的熱點。此外金屬氧化物也是當前人們研究的另一種負極材料體系，包括氧化鐵，氧化鎳，氧化鈷等。氧化鐵具有較高的理論比容量1037?mAh/g，然而由于其導電性較差因此在實際應用其性能遠低于理論性能，因此人們考慮采用具有優異電學性能的碳納米管作為載體，將氧化鐵修飾在碳管表面，進一步提高碳納米管與氧化鐵的協同作用。目前傳統的碳納米管/氧化鐵制備通常將碳納米管原始樣品進行純化，去除原始樣品中殘留的金屬鐵顆粒，然后再采用氧化的方法在碳管表面修飾大量官能團，為氧化鐵的負載提供位點，最后采用物理和化學的方法在碳管表面修飾氧化鐵，目前所采用的方法有靜電自組裝法，毛細管法，fenton試劑法等都已有報導。然而傳統的碳納米管/氧化鐵雜化材料制備存在工藝復雜，氧化鐵與碳納米管結合能力差等缺點，上述問題的存在影響和限制了碳納米管/氧化鐵進一步開發和應用，同時綠色納米科技作為一個新興的學科，提倡納米材料的制造與應用對環境無害化，本專利提出了一個簡單、快速的綠色碳納米管/氧化鐵合成法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種活化碳納米管/氧化鐵鋰離子電池電極材料的制備方法。

本發明采用碳納米管原始樣品作為制備碳納米管/氧化鐵鋰離子電極的原材料，采用氫氧化鉀或氫氧化鈉活化的方法實現活化碳納米管比表面積提高的同時，實現磁性氧化鐵在碳納米管表面的修飾，一步法制備碳納米管/氧化鐵鋰離子電極材料，將其應用于鋰離子電池中具有較好的電池性能。上述方法避免了傳統碳納米管/氧化鐵制備中，首先純化去除原始樣品中金屬催化劑鐵顆粒，然后在純化后的碳管表面負載磁性氧化鐵顆粒的復雜過程。該方法成本低，工藝簡單。試驗結果顯示：采用目前新工藝有效的改善了碳納米管與氧化鐵的結合性能，提高了碳納米管/氧化鐵鋰離子電池的性能。?

本發明提出的化碳納米管/氧化鐵鋰離子電池電極材料的制備方法，具體步驟如下：將碳納米管原始樣品與活化劑粉末混合，研磨均勻；置于反應容器中通入惰性氣體進行反應，在600～1000℃溫度下，持續反應1-3小時；將反應產物降溫后取出，加入去離子水洗滌、抽濾至溶液pH值呈中性；真空干燥，即得所需產品；其中：所述碳納米管原始樣品與活化劑的質量比為1:1～1:8；所述活化劑采用氫氧化鉀或者氫氧化鈉。

本發明中，所用碳納米管原始樣品，其樣品為化學氣相沉積法、激光法或電弧法制備的碳納米管原始樣品。?