[發(fā)明專利]碳酸亞鐵/石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410074818.8
• 申請(qǐng)日: 2014-03-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103840132A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹桂珍;李智軍;禹筱元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南雅城新材料發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/136
• 分類號(hào): H01M4/136;H01M4/133;H01M4/1393;H01M4/1397
• 代理公司: 深圳市銘粵知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44304
• 代理人: 楊林;李友佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)新能源材料領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰離子電池的新型負(fù)極材料的制備和應(yīng)用。?

背景技術(shù)

由于新能源汽車所需大功率動(dòng)力電池的迫切需要，以及鋰離子動(dòng)力電池目前存在價(jià)格和安全性等瓶頸問(wèn)題，鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料正面臨著新的挑戰(zhàn)。目前鋰離子電池負(fù)極材料以石墨化碳材料為主，但是碳材料在首次放電過(guò)程中生成的SEI膜，會(huì)造成不可逆容量損失，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致碳電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和電接觸不良；高溫時(shí)可能會(huì)因保護(hù)層的分解，導(dǎo)致電池失效或引起安全性問(wèn)題；同時(shí)石墨負(fù)極的單位體積容量相對(duì)較低，難于滿足諸如電動(dòng)汽車、風(fēng)能太陽(yáng)能儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域高能量密度電池的要求。因此，研發(fā)高容量和高性價(jià)比的負(fù)極材料刻不容緩。?

“轉(zhuǎn)化型”負(fù)極材料碳酸亞鐵作為新型的鋰離子電池負(fù)極材料，與目前商品化的石墨負(fù)極相比，其具有較高的理論容量，廣泛的適用性，良好的穩(wěn)定性等等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)鋰離子嵌入到碳酸亞鐵中時(shí)，反應(yīng)所得到的Li₂CO₃比其嵌入到傳統(tǒng)的金屬氧化物中反應(yīng)所得的Li₂O穩(wěn)定，使得碳酸亞鐵能夠保持高電流密度的持續(xù)充放電。?

但是，由于活性材料在充放電過(guò)程中涉及到大量的結(jié)構(gòu)重組和體積變化，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致其顆粒的分離和破裂，從而導(dǎo)致容量的衰減。充放電過(guò)程中的體積變化引起的這些問(wèn)題不僅僅出現(xiàn)在合金型電極中，在轉(zhuǎn)換型電極中也經(jīng)常出現(xiàn)。因此，為了能夠提高電極材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，人們致力于對(duì)活性材料和其它材料進(jìn)行復(fù)合改性研究。?

例如，石墨烯作為二維的碳材料，具有高的比表面積、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、柔軟性等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯高的比表面積有利于其能夠充分得到電解液的浸潤(rùn)，從而鋰離子能夠得到充分的擴(kuò)散。高的電導(dǎo)率能夠使其大大地縮短充放電時(shí)間，高的熱導(dǎo)率能夠使得電池的安全性得到很好的保障。同時(shí)，由于氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能團(tuán)，當(dāng)與其他材料復(fù)合時(shí)，能夠使其他材料均勻分布在其表面上，提高分散性。?

另外，水熱法是在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜)中，通過(guò)對(duì)反應(yīng)體系(一般為?水溶液)進(jìn)行特定處理，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得平常難溶、不溶于常規(guī)反應(yīng)體系的物質(zhì)在這個(gè)反應(yīng)體系中能夠溶解和重結(jié)晶，從而進(jìn)行無(wú)機(jī)材料的合成及處理的一種方法。與其他粉體制備方法相比較，水熱法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：粉體的顆粒細(xì)小且均勻，晶粒發(fā)育完整，易得到合適的化學(xué)計(jì)量比和晶粒形態(tài)；反應(yīng)工藝條件簡(jiǎn)單，不需要用到球磨過(guò)程。?

故此，人們期望能利用水熱法獲得一種新型的復(fù)合材料應(yīng)用于電池領(lǐng)域。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)金屬及其金屬氧化物負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能不足，提供一種比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好的鋰離子電池新型負(fù)極材料——碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。?

這種碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：?

步驟一：將石墨烯材料、水溶性亞鐵鹽、尿素與水配制成懸浮液；其中，所述石墨烯材料與所述水溶性亞鐵鹽的質(zhì)量比為0.02～0.2∶1；所述尿素與所述水溶性亞鐵鹽的物質(zhì)的量濃度之比為20～100∶1；?

步驟二：將所述懸浮液置入反應(yīng)釜中，控制溫度為100～180℃反應(yīng)4～12h，獲得碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料。?

進(jìn)一步地，所述步驟一是先將所述水溶性亞鐵鹽加入至石墨烯和水的分散液中，獲得分散液，然后往所述分散液加入尿素混勻配制成懸浮液。?

進(jìn)一步地，所述石墨烯材料為氧化石墨烯。?

進(jìn)一步地，所述水溶性亞鐵鹽的物質(zhì)的量濃度為0.02～0.05mol／L。?

進(jìn)一步地，所述水溶性亞鐵鹽為硫酸亞鐵、水溶性鹵化亞鐵鹽。?

本發(fā)明還提供一種碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料，所述碳酸亞鐵與石墨烯的質(zhì)量比為1.375∶1～14.4∶1。?

進(jìn)一步地，所述石墨烯材料為氧化石墨烯。?

本發(fā)明還提供利用上述一種碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料制備的鋰離子電池。鋰離子電池包括正極和負(fù)極，所述負(fù)極的材質(zhì)包括：碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料，以及導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑，其中，所述碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑的質(zhì)量比為7～8∶1～2∶1。?

進(jìn)一步地，所述粘結(jié)劑為聚偏氯乙烯。?

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：?

1、本發(fā)明制備的碳酸亞鐵／石墨烯復(fù)合材料比容量高、循環(huán)性能好，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。?