[發明專利]一種負極材料、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201410362731.0
• 申請日: 2014-07-28
• 公開（公告）號: CN104157853A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 鄒楓;胡先羅;黃云輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種負極材料、其制備方法及應用。

背景技術

鋰離子電池自商用化以來由于其具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應等優點而得到廣泛應用。然而，隨著對用于新型能源儲存的大規模儲能裝置的需求的增加，傳統的商業鋰離子電池的能量密度和功率密度已不能滿足需求，開發具有高容量、高倍率的電池材料迫在眉睫。當前商業鋰離子電池負極材料采用比容量為372mAh/g的石墨材料，其雖然具有良好的循環性能，但其比容量較低，且在大電流充放電條件下易產生安全隱患，限制了其在大規模儲能領域的應用。

鋅基三元復合氧化物因其具有高容量、價格低廉等特點而被廣泛研究。然而其受到儲鋰過程中存在體積膨脹的限制，研究者常采用碳基材料與其進行復合，復合方法通常較為復雜，不能滿足工業化大規模生產的要求。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種多孔結構負極材料的制備方法、含有該負極材料的電極片及含有該電極片的扣式電池，解決目前的負極材料容量有限、倍率性能低下、不能大規模進行工業化生產的問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種負極材料，包括包覆有碳層的氧化鋅顆粒及包覆有碳層的鐵酸鋅顆粒，氧化鋅顆粒和鐵酸鋅顆粒的粒度均小于5nm，碳層的厚度為1～2nm，包覆有碳層的氧化鋅顆粒及包覆有碳層的鐵酸鋅顆粒堆積形成復合微粒，所述復合微粒中氧化鋅顆粒及鐵酸鋅顆粒的重量比為0.35～0.4：1，復合微粒的粒度為100～300nm，包覆有碳層的氧化鋅顆粒及包覆有碳層的鐵酸鋅顆粒之間形成孔隙。

一種多孔結構的碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)配制反應前驅液：將A組份溶于B組份中配制出反應前驅液；其中A組份按重量份數比包括以下原料：硝酸鋅14～15份、乙酰丙酮鐵18～20份、對苯二甲酸2～3份、分子量為30000～60000的聚乙烯吡咯烷酮63～64份；B組份為按體積比為4：3～2：1配制的N，N–二甲基甲酰胺和乙醇的混合液；配制的反應前驅液中，硝酸鋅的濃度為3.43～3.53g/L；

2)將步驟1)配制的反應前驅液在95～105℃下回流3～24小時，將反應產物分別用N，N–二甲基甲酰胺和乙醇反復洗滌后于60～120℃烘干，得到具有空心八面體結構的金屬有機框架材料；

3)將烘干后的金屬有機框架材料在氮氣氣氛中以0.5～3℃/分鐘的升溫速率升至500～600℃，隨即自然冷卻至室溫即可得到負極材料，烘干得到的產物為粉末狀。

一種電極片，按重量份數比包括以下原料：

負極材料40～80份；導電炭黑10～40份；聚丙烯酸鋰粘結劑10～20份。

一種扣式電池，包括上述的電極片。

本發明的有益效果是：

1.制備出的負極材料比容量高，倍率性能好；

2.制備出的負極材料循環穩定性好，首次庫倫效率高；

3.制備出的負極材料具有多孔結構，金屬氧化物表面碳包覆層均勻且相互連接形成3D網絡，提高了活性材料的電子傳導性能和離子傳導性能，抑制了體積效應；

4.制備方法簡單，適合大規模生產。

附圖說明

圖1中，(a)、(b)分別是合成的金屬有機框架材料(MOF)的場發射掃描電子顯微鏡(FSEM)圖和透射電子顯微鏡(TEM)圖。(c)、(d)分別是金屬有機框架材料(MOF)經過500℃氮氣中熱處理后得到的碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的FSEM圖和TEM圖，(e)、(f)是選區高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖；

圖2是碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的X-射線衍射(XRD)圖譜；

圖3(a)、(b)分別是碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的氮氣吸脫附曲線和孔徑分布圖；

圖4是碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的循環伏安曲線，測試范圍3-0.005V，掃描速率0.2mV/s；

圖5是碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料在電流密度為0.5A/g下的充放電曲線圖；

圖6是碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料在電流密度0.5A/g和2A/g電流密度下的循環性能圖；

圖7是含有碳包覆鋅基復合物氧化物空心八面體負極材料的電極片的倍率性能及循環性能圖。

具體實施方式