[發明專利]一種負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510545415.1
• 申請日: 2015-08-31
• 公開（公告）號: CN105161682B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 何建新;連艷平;譚衛琳;韓啟明;王利丹;丁彬;崔世忠
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司41125
• 代理人: 張紹琳,張真真

技術領域

本發明涉及一種負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料及其制備方法，應用于鋰電池電極材料，具體涉及化學能源儲能技術領域。

背景技術

隨著移動電子設備諸如手機、數碼相機和筆記本電腦以及電動汽車、混合動力汽車的不斷發展，鋰離子電池作為與之配合的最重要的儲能裝置，也對開發高能量、小型化、大倍率的新型電極材料提出了越來越高的要求。目前，在商業化的鋰離子電池體系中，一般采用石墨類碳作為負極材料，但是石墨的理論容量僅有372mAh/g、耐過充放電性能差且倍率性能不佳，已經無法滿足當前電池高能量密度，小體積的發展的要求。而金屬氧化物應用于負極材料，具有理論比容量高、放電平臺高、制備成本低等優點。但是金屬氧化物在充放電的過程中體積變化較大導致可逆容量低，循環性能差。其中，四氧化三鐵由于具有較高的理論比容量（926 mAh/g）、環境友好、成本低、資源豐富等優點引起了廣泛的研究興趣。然而，在插鋰/脫鋰的過程中四氧化三鐵顆粒會發生較大的體積變化和團聚，導致電極材料的首次庫侖效率低、循環衰減快及倍率性能差。針對這些問題，目前，人們主要從四氧化三鐵納米化、低維化、多孔化，表面包覆處理以及構筑復合材料等方面進行研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料及其制備方法。利用水熱法將碳包覆的四氧化三鐵納米粒子組裝到經堿處理的樹木微管束中，經高溫碳化后得到負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料。這種鋰電池負極材料具有極大的比表面積、孔隙率、導電性能好。取向的微管束可以緩沖四氧化三鐵納米粒子在插鋰/脫鋰的過程中體積的變化，顯著地提高電池的循環性能和倍率性能。

本發明目的的技術方案是，提供了一種負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料，它是由碳包覆四氧化三鐵納米粒子在取向的碳微管束中組裝而成。這種鋰電池負極材料中，碳/四氧化三鐵質量比例為1:2-8。微管束的孔徑為10-20μm，碳包覆四氧化三鐵納米粒子的尺寸為15-30nm。

負載碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束鋰電池負極材料的制備方法，采用如下步驟：

（1）將樹木切成直徑為10-20mm厚度為2-10mm的薄片，利用蒸餾水和乙醇洗滌3次并在60℃條件下烘干，將烘干后的樹木薄片按照浴比1:5-20放入由Na₂CO₃、Na₂S、NaOH、蒽醌和蒸餾水組成的蒸煮液中，在150-200℃條件下高溫蒸煮2h，室溫冷卻后，用蒸餾水洗滌并于80℃條件下烘干；

（2）將Fe(NO₃)₃和蔗糖放入蒸餾水中得到Fe(NO₃)₃和蔗糖的混合溶液，Fe(NO₃)₃的濃度為50-150mg/ml，蔗糖的濃度為10-50mg/ml，將Fe(NO₃)₃和蔗糖的混合溶液和步驟（1）中制備的樹木薄片置于反應釜中，在150-200℃條件下反應10-15h，室溫冷卻后，用蒸餾水和乙醇洗滌幾次，在-55-0℃條件下冷干；

（3）將步驟（2）中經水熱處理得到的樹木薄片置于碳化爐中，在氮氣/氬氣氣氛下在500-1000℃條件下處理2-5h，升溫速率為1-10℃/min，得到碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束；

（4）將步驟（3）中所得取向碳微管束利用粘結劑聚偏氟乙烯粘貼在銅箔上，粘結劑與碳包覆四氧化三鐵納米粒子的取向碳微管束的質量比為1:5-20。在120℃條件下干燥2h，直接用作鋰電池電極材料。

所述步驟（1）中所述的樹木的品種為梧桐樹、橡樹和竹子，蒸煮液中所述的Na₂CO₃、Na₂S、NaOH、蒽醌的質量比為10:50-80:10-30:0.1，步驟（2）中所述的樹木、Fe(NO₃)₃和蔗糖的混合溶液的質量比為10:1-5。

與其它的鋰電池負極材料及其制備方法相比，本發明具有以下優點：

（1）利用樹木作為原料，采用簡單的水熱、碳化工藝，具有成本低，制備過程簡便等優點；