[發明專利]一種鋰離子電池鐵炭復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310149692.1
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN103236547A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 王瑨;王增竹;謝皎;鄭威
• 申請（專利權）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/52;H01M10/0525;H01M4/1393;H01M4/1391
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙) 51211
• 代理人: 趙麗

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備方法，更具體地說，本發明涉及一種鋰離子電池鐵炭復合負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池負極材料技術領域。

背景技術

目前，在便攜數碼產品領域，鋰離子二次電池已占據了市場的主導地位。而隨著電動車、大規模儲能系統的興起，鋰離子二次電池以其能量密度大、工作電壓高、循環壽命長、無污染、安全性能好等優點，展現了廣泛的應用前景，越來越受到研究者與企業的重視。新的市場也帶來了新的需求與新的挑戰，除了安全性、經濟性、循環壽命以外，鋰離子電池的能量密度的進一步提高也顯得迫在眉睫。

鋰電池負極材料容量的提高是鋰離子電池能量密度提高的關鍵之一。一般來說，鋰電池負極材料分為炭負極與非炭負極兩大類。其中，炭負極材料尤其是石墨類炭負極材料以其高度的結構穩定性和良好的循環性能引起世界范圍內的廣泛研究與開發，成為目前占據主流市場的鋰離子電池負極材料。但其理論容量只有372mAh/g，而目前市場上成熟的石墨負極容量已經能達到360mAh/g以上，基本達到了發展的極限，越來越不能滿足市場發展的要求。因此，研究者的注意力開始轉移到其它材料上，例如硬炭、炭/硅復合材料、金屬氧化物等。

在眾多研究對象當中，Fe₃O₄是較有前途的一種。Fe₃O₄作為鋰離子電池負極材料比容量可以高于900mAh/g，接近石墨負極的三倍。而且鐵元素的儲量非常豐富，價格低廉，生物毒性也很低，因此Fe₃O₄是一種很有前途的鋰電負極材料。但是，由于的Fe₃O₄電導率很低，因此在充放電過程中鋰離子的嵌入和脫嵌都比較困難，限制了該材料容量的發揮。為了改善Fe₃O₄的充放電性能，研究者開展了大量的研究，如納米化和元素摻雜。Taberna等用模板法在銅箔表面制備了納米柱狀Fe₃O₄，該材料循環性能非常好，循環50次后還有超過800?mAh/g的可逆容量。該材料在8C下充放電還可以放出80％的容量，顯示了良好的高倍率性能。但是，這種納米化方法在工業化生產時很難放大，也難以保證材料的批次一致性。而且納米材料的加工性較差，使得制備電極的工藝難以實現。

國家知識產權局于2011年10月5日公開了一件公開號為CN102208641A，名稱為“一步法合成空心球結構Fe₃O₄/C鋰離子電池負極材料”的發明專利，該專利公開了一種空心球儲鋰復合材料Fe₃O₄/C的制備方法及其在鋰離子電池中的應用，屬于材料合成及高能鋰離子二次電池技術領域。其特征在于：利用溶劑熱或水熱法制備粒徑分布較窄的空心球Fe₃O₄/C復合材料，該材料純度高，平均粒徑為750納米，壁厚為250納米。電化學測試表明，此方法制備的Fe₃O₄/C復合材料其首次放電比容量高達1175mAh/g，循環65次后放電比容量仍高達900mAh/g，顯示了優異的循環穩定性。此外該材料還具有良好的倍率性能，在2C及5C充放電倍率下的放電比容量分別為620mAh/g和460mAh/g，性能遠優于目前普遍使用的碳素負極材料（理論比容量372mAh/g）。本發明成本低廉，工藝簡單易于產業化，在高能鋰離子電池領域具有廣泛的應用前景。

該發明的缺點：1、該發明合成溫度是180-220℃，在該溫度下，該發明使用的葡萄糖、蔗糖等碳源生成的熱解碳含有大量羥基等官能團，炭化程度很低，導電性很差，而且這些管能團會影響電池的循環性與安全性。2、該發明制備的材料為空心球，球內部的空心部分不貢獻容量卻占據了體積，非常不利于電池能量密度的提高。3、該發明使用水熱法合成，而且合成時間需要12-96小時，放大化生產時在保證材料批次一致性以及穩定性方面存在一定困難。