[發(fā)明專利]一種核殼型LaFeO3@C鋰電池負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410380212.7
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN104157856B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牛和林;武小云;張勝義;毛昌杰;宋吉明;張君友
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48
• 代理公司: 北京恒創(chuàng)益佳知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11556
• 代理人: 柴淑芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水熱法和高溫?zé)崽幚矸椒ńY(jié)合得到具有核殼型LaFeO₃@C鋰電池負(fù)極復(fù)合材料的方法，屬于水熱法和高溫?zé)崽幚砗铣尚滦蛷?fù)合材料和鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池因其具有工作電壓高、比能量高、自放電率低、無毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，成為目前電子產(chǎn)品和電氣設(shè)備的主要電源。然而，隨著近年來電子產(chǎn)品的更新以及人們對能源動力的廣泛關(guān)注，對鋰離子電池提出了更高的要求，需要其具有更高的能量密度、更高的功率密度和更長的使用壽命。

碳基負(fù)極材料出現(xiàn)后，由于其具有成本低，較高的循環(huán)效率和良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性能，從而被廣泛地應(yīng)用。但其儲鋰容量較低，理論比容量約為372mAh/g，且在高倍率充電時(shí)有安全隱患，因此開發(fā)新型負(fù)極材料成為提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵。

P.Poizot等首次提出了過渡金屬氧化物可作為鋰離子電池負(fù)極材料，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其質(zhì)量比容量是石墨負(fù)極的2～3倍。然而，過渡金屬氧化物負(fù)極材料也存在著如下問題：首次不可逆容量高；循環(huán)過程中體積膨脹率高導(dǎo)致循環(huán)壽命低；由于其為半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性較差導(dǎo)致倍率性能差。研究表明，減少氧化物顆粒尺寸、包覆導(dǎo)電劑、對顆粒進(jìn)行表面改性和摻雜金屬陽離子等方法均可提高氧化物電極的導(dǎo)電性能，其中表面碳包覆改性是提高顆粒間表觀電導(dǎo)和改善氧化物電極材料導(dǎo)電性能的有效途徑。專利201310100981.2制備了單分散核殼結(jié)構(gòu)的Fe₃O₄@C納米復(fù)合鋰離子負(fù)極材料具有很高的比容量和較高的循環(huán)性能，在0.01-0.3V電壓范圍內(nèi)，在0.2C倍率下充放電，其首次放電容量為1031mAh/g，經(jīng)100次循環(huán)后放電容量仍有544mAh/g.專利201110131191.1制備了核殼型碳包覆鈷基納米棒鋰離子負(fù)極材料，通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)在0.1C電流密度下，首次可逆比容量大于1000mAh/g，經(jīng)過100圈循環(huán)后，可逆比容量仍保持在1000mAh/g以上，證明該材料在保持高比容量的同時(shí)具有很強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性。而且該材料在大電流條件下(1C，2C，5C)也具有很好的儲鋰性能。Chen等人在J.Mater.Chem22(2012)15056上報(bào)道過水熱法制備核殼結(jié)構(gòu)的碳包覆Co₃O₄納米線鋰離子負(fù)極材料，電化學(xué)測試表明，碳包覆的Co₃O₄納米復(fù)合材料的儲鋰性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未包覆碳層的Co₃O₄納米線。證明了表面碳包覆改性確實(shí)能大大提高納米負(fù)極材料的儲鋰性能。

鈣鈦礦型ABO₃氧化物具有低成本、易活化、高的放電容量和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)備受關(guān)注。LaFeO₃是鐵酸鹽系列的一種，屬于鈣鈦礦(ABO₃)型復(fù)合氧化物。近年來，由于LaFeO₃具有好的晶體結(jié)構(gòu)、磁性、電導(dǎo)性、壓電和電光性質(zhì)，而在固體電解液、固體燃料電池、發(fā)動機(jī)、電化學(xué)器件、傳感器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，未發(fā)現(xiàn)有關(guān)LaFeO₃納米材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極等方面的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中也未涉及。

本發(fā)明通過水熱法和高溫?zé)崽幚矸ㄊ状魏铣删哂泻藲ば偷腖aFeO₃@C納米復(fù)合材料。水熱法具有設(shè)備和工藝簡單，易于控制反應(yīng)條件，產(chǎn)物重復(fù)性好，產(chǎn)率高，合成方法綠色，便于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此水熱法制備核殼型LaFeO₃@C復(fù)合納米材料的方法具有巨大的潛在科研價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明核殼型LaFeO₃@C納米顆粒具有優(yōu)異的循環(huán)儲鋰性能(主要體現(xiàn)在比容量高，循環(huán)性能穩(wěn)定，大電流的適應(yīng)性好)，其儲鋰性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未包覆碳層的LaFeO₃納米顆粒，為其在鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用提供了可能，具有很好的發(fā)展?jié)撃芎蛻?yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有核殼結(jié)構(gòu)的LaFeO₃@C鋰電池負(fù)極材料的制備方法。

本發(fā)明是一種合成具有核殼結(jié)構(gòu)的LaFeO₃@C鋰電池負(fù)極材料的方法，其特征在于該方法具有以下的工藝過程和步驟：

分別稱取硝酸鑭，硝酸鐵，尿素，碳水化合物配置成一定體積的混合水溶液，充分?jǐn)嚢韬螅玫綗o色透明的混合溶液，其中硝酸鑭、硝酸鐵和尿素的用量摩爾比在1∶1∶100～1∶1∶20之間，碳水化合物的濃度在0.3-0.6M間。