[發明專利]碳包覆四氧化三鐵/氮摻雜石墨烯復合材料及其制備應用

有效

• 申請號: 201610346312.7
• 申請日: 2016-05-23
• 公開（公告）號: CN105762362B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 楊偉;梁成露;劉洋;包睿瑩;謝邦互;楊鳴波
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/48;H01M10/0525;H01M4/139
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 劉文娟

本發明涉及一種復合材料及其制備方法，具體涉及一種碳包覆四氧化三鐵/氮摻雜石墨烯復合材料及其制備方法，屬于材料和電化學技術領域。本發明提供一種復合材料，所述復合材料由碳包覆四氧化三鐵和氮摻雜石墨烯組成，所述復合材料中，四氧化三鐵均勻地分布在石墨烯片層的表面。本發明的復合材料由碳包覆四氧化三鐵和氮摻雜石墨烯復合材料組成，該復合材料作為鋰離子電池負極材料使用過程中，具有優異的循環和倍率性能。此外，本發明所得碳包覆四氧化三鐵/氮摻雜石墨烯復合材料不僅能有效緩沖四氧化三鐵在電化學反應中的體積效應，同時還提高了材料的導電性，大大降低電池的阻抗，從而有效地提高了材料的電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種復合材料及其制備方法，具體涉及一種碳包覆四氧化三鐵/氮摻雜石墨復合材料及其制備方法，屬于材料和電化學技術領域，本發明還涉及該復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用。

背景技術

隨著石油資源的枯竭，促進可再生能源的發展具有重大的社會和經濟效益。在以化學儲能為應用背景的儲能新技術中，鋰離子具有開路電壓高、循環壽命長、能量密度高、無記憶效應、對環境友好等優點，以其他二次電池(鎳氫電池、鉛酸電池、鎳鎘電池)所不能比擬的優越電性能及外型可變等優勢迅速占領了眾多市場領域，成為各種便攜式電子產品的首選，并正在向電動汽車等大中型儲能設備和光伏工程等新能源領域擴展。目前商用的鋰離子電池主要采用石墨負極，而石墨負極較低的理論容量(372mA h g^-1)極大地限制了電池整體容量的提升，因此迫切需要開發新的高容量的鋰離子電池負極材料。近年來研究表明，過渡金屬氧化物最有希望代替傳統石墨負極成為新一代高容量負極材料。

在過渡金屬氧化物中，四氧化三鐵來源豐富，環境友好，且具有高的理論容量(924mA h g^-1)，成為了研究的熱點。但是，四氧化三鐵材料電導率較低，且在鋰離子嵌脫過程中存在較大的體積變化，造成材料的失效，大大限制其應用。

碳包覆能提高Fe₃O₄的電化學性能，人們采用了很多方法對其進行改性，例如制備納米化的Fe₃O₄、碳包覆的納米Fe₃O₄以及納米級的Fe₃O₄/C復合材料等。在鋰離子充放電過程中，納米材料由于具有較大的比表面積、較短的擴散路徑以及較快的擴散速率，可以吸收和儲存大量的鋰離子，有利于提高其電化學性能；碳包覆層能夠阻止活性物質在電池充放電過程中發生較大的體積變化，以及避免活性物質的團聚；碳基體還具有良好的導電性、鋰滲透率高，以及電化學性能穩定等特點。

目前，碳包覆Fe₃O₄納米復合材料的制備方法主要有水熱法、熱分解法等。如公開號為CN102790217B的中國專利本發明公開了一種碳包覆四氧化三鐵鋰離子電池負極材料及其制備方法；該負極材料為碳包覆Fe₃O₄復合材料，其粒徑為1～100nm之間；其制備過程：采用NaCl作為分散劑和載體，將其與金屬氧化物源和固體碳源充分混合；將混合溶液真空干燥，得到混合物；將混合物放入管式爐中在惰性氣氛下煅燒，得到煅燒產物；將煅燒產物洗滌，研磨得到碳包覆金屬氧化物納米顆粒。又如公開號為CN103647041A的專利申請公開了一種碳包覆四氧化三鐵納米線及其制備方法和其在制備鋰離子電池中的應用；公開號為CN104993126A的中國專利申請公開了一種碳包覆Fe₃O₄納米顆粒鋰離子電池負極材料制備方法及其應用。可見，現有技術中，絕大部分的研究多集中在碳包覆Fe₃O₄納米復合材料的制備方法中。

發明內容

本發明的目的在于提供一種復合材料，該材料由碳包覆四氧化三鐵和氮摻雜石墨烯復合材料組成，該復合材料作為鋰離子電池負極材料使用過程中，具有優異的循環和倍率性能。

本發明的技術方案：