[發明專利]鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料及其應用

有效

• 申請號: 201510717297.8
• 申請日: 2015-10-29
• 公開（公告）號: CN105355873B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 沈彩;靳巖
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 王惠;李穎

本申請公開了一種鐵基金屬有機骨架化合物、其與石墨烯形成的鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料，及其在鋰離子電池中作為負極活性材料的應用。所述鐵基金屬有機骨架化合物、鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料作為負極活性材料用于鋰離子電池，具有容量高、循環穩定性好的優點。

技術領域

本申請涉及鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料，及其在鋰離子電池中作為負極活性材料的應用，屬于鋰離子電池能源領域。

背景技術

能源危機與環境污染共同威脅著人類社會的生存和發展，新型的能源開發迫在眉睫，太陽能、風能、地熱、生物能源以及電池類儲存器件等成為了新型能源關注的焦點。其中，電池等儲能器件充當著能量儲存與釋放的雙重重要角色，是電動汽車、手機、手提電腦、航空航天設備以及軍用電子設備的核心部分，能量密度高、循環性能好、環境友好的新型電池才能滿足高效快速的動力需求，因此開發新型、高效、廉價的電極材料成為鋰離子電池研究的熱點課題之一，負極是鋰離子電池的重要組成部分，負極活性材料對鋰離子電池的電化學性能有著重要的影響。傳統的鋰離子電池負極材料主要包括碳材料、硅及其復合負極材料、錫及其復合負極材料、各種過渡金屬氧化物及其復合負極材料、鈦酸鋰等。碳類負極材料目前已經實現商業化，但是在低溫環境中碳類負極的電化學性能較差，過渡金屬氧化物用作鋰離子電池負極材料時循環穩定性較差，容量衰減較快；而錫基和硅基作為鋰離子電池負極材料在進行脫嵌鋰反應時會產生高達300％的體積膨脹，從而導致該類材料具有較大的容量衰減和較差的容量保持率。因此上述傳統的鋰離子負極材料主要存在嵌鋰電位、比容量低和循環穩定性差等方面的問題，不能很好應用于鋰離子電池體系中。因此，開發高比能量、長循環壽命、廉價型鋰離子電池負極材料成為鋰離子電池研究的熱點課題之一。

作為一種有機無機雜化配位的超分子材料，以有機配體分子和金屬離子鏈接組成的具有三維網絡結構的金屬有機骨架(Metal-Organic Framework簡寫為MOF)材料由于具有種類繁多、孔道結構可調控、高的比表面積以及特殊的活性中心、價格低廉等特點，已經被廣泛應用于氣體的分離、儲存、催化劑負載、藥物的緩釋以及磁學、光學等方面，越來越得到人們的關注，近年來，隨著環境問題的不斷加劇，新型能源材料尤其是鋰離子電池材料的不斷開發，MOF材料具有高的比表面積、可控的孔道結構和尺寸以及較低的密度等性質，這些特性有利于電化學反應、界面電荷傳輸以及縮短電荷傳遞路徑等，因此將其應用于燃料電池、鋰離子電池以及超級電容等領域，逐漸得到能源領域研究者的廣泛關注，并取得了較多的進展。鐵基金屬有機骨架化合物具有較高的容量，而且三價鐵屬于硬路易斯酸，與羧基的結合能力較強，因此結構穩定性較高，是一類新型的有機負極材料，但是由于MOF材料本身較低的電導率，限制了鋰離子在其中的脫嵌效率，導致其活化作用時間較長，無法滿足快速充放電的需要，因此需要與導電性較好的材料復合改善其特性。由于石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的材料，具有量子霍爾效應、高的理論比表面積(2630m²/g)和低電阻率(10^-6Ω/cm)等優點，將其與Fe基MOF材料復合，則將具兼有兩者的優勢，因而具有很好的電化學性能。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供一種鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料，將鐵基金屬有機骨架化合物MOF材料原位生長于石墨烯片層結構上，形成石墨烯復合的鐵基MOF材料。石墨烯的加入能夠提高材料的導電性和穩定性，鐵基MOF材料能夠提供較多的活性位點，而且孔徑結構較多，結構穩定性較好，有利于鋰離子的插入和脫出。所述鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料作為負極活性材料用于鋰離子電池，具有高比容量和優良的倍率性能等優點。。

所述鐵基金屬有機骨架化合物/石墨烯復合材料，其特征在于，所述鐵基金屬有機骨架化合物由有機羧酸R(COOH)_n和鐵離子Fe³⁺形成，n≥2，R選自脂肪烴分子上失去任意n個氫原子形成的基團、芳香烴分子上去任意n個氫原子形成的基團、氨基取代的脂肪烴分子上失去任意n個氫原子形成的基團、氨基取代的芳香烴分子上失去任意n個氫原子形成的基團。