[發明專利]一種鋰離子電池用氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710137659.5
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN106816595B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 從懷萍;張寶林;辛森
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 34101 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 盧敏;何梅生

本發明公開了一種鋰離子電池用氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料及其制備方法，是在納米梭形三氧化二鐵的外表面包覆二氧化硅層后作為前驅體，再在二氧化硅層外表面包覆一層導電聚吡咯，最后經退火使聚吡咯碳化、經刻蝕去除二氧化硅夾層，即獲得帶有夾層空隙結構的氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料。本發明提供的鋰離子電池復合負極材料可在包括室溫在內的較大溫度范圍內保持高的循環容量、優異的循環穩定性和高倍率(大電流密度充放電)性能，具有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種可充放電鋰離子電池負極材料及其制備方法，屬于電化學電源領域。

背景技術

面對當前日益緊迫的能源與環境問題，發展高效穩定的鋰二次電池成為當務之急。鋰離子電池具有高能量密度、長循環壽命、環境友好等特點，廣泛應用于便攜式電子產品以及動力或儲能電池等領域。目前,商用鋰離子電池石墨負極材料比容量較低、倍率性能差,且存在較大的安全隱患，因此開發新型的負極材料成為目前該研究領域的熱點。近年來，隨著鋰離子電池研究的日益深入，人們發現，過渡金屬氧化物(三氧化二鐵)具有理論比容量高、含量豐富、無污染等優勢，可作為鋰二次電池的負極材料。然而，三氧化二鐵作為鋰電負極材料凸顯優勢的同時，也存在一些缺點：1)體相三氧化二鐵導電性差，不利于電子的傳輸；2)充放電過程中，體相三氧化二鐵易粉化團聚，導致電池循環性能急劇下降。

因此，改善三氧化二鐵作為鋰離子電池負極材料性能的方法亟待發掘。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供了一種鋰離子電池用氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料及其制備方法，旨在提高其導電性、避免其團聚現象，以提高材料的儲鋰性能。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明公開了一種鋰離子電池用氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料，其是在納米梭形三氧化二鐵的外表面包覆二氧化硅層后作為前驅體，再在二氧化硅層外表面包覆一層導電聚吡咯，最后經退火使聚吡咯碳化、經刻蝕去除二氧化硅夾層，即獲得帶有夾層空隙結構的氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料。

優選的，所述納米梭形三氧化二鐵的長軸長100～3000nm、短軸長50～1800nm，夾層空隙結構厚5～30nm，氮摻雜碳層為厚20～35nm的無定型石墨；在所述氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料中氮摻雜碳的質量百分含量為34％～45％。

上述鋰離子電池用氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料的制備方法，包括如下步驟：

A、通過溶劑熱反應合成納米梭形三氧化二鐵；

B、在堿性條件下，通過溶膠-凝膠法在所述納米梭形三氧化二鐵的外表面包覆二氧化硅層，獲得梭形前驅體Fe₂O₃@SiO₂；

C、以高分子表面活性劑修飾所述梭形前驅體Fe₂O₃@SiO₂，然后再加入吡咯單體和引發劑進行反應，使修飾后梭形前驅體Fe₂O₃@SiO₂外表面包覆一層導電聚吡咯，獲得Fe₂O₃@SiO₂@Ppy；

D、在惰性氣體氛圍下對所述Fe₂O₃@SiO₂@Ppy進行退火處理，使聚吡咯碳化，獲得Fe₂O₃@SiO₂@C；

E、將所述Fe₂O₃@SiO₂@C放入堿性溶液中進行刻蝕，以去除SiO₂，即獲得帶有夾層空隙結構的氮摻雜碳包覆三氧化二鐵負極材料Fe₂O₃@C。