[發明專利]一種納米FeNbO4

有效

• 申請號: 201710442682.5
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107195897B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 劉國強;李國成;劉文彬
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/36
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李娜;李馨

本發明涉及一種納米FeNbO₄/石墨烯復合材料及其制備和應用，屬于新能源技術領域。一種納米FeNbO₄/石墨烯e復合材料的制備方法，是將C₁₀H₅O₂₀Nb、Fe(NO₃)₃·9H₂O和石墨烯于反應釜進行水熱反應后所得顆粒進行焙燒，其中，水熱反應條件為：180～240℃下保溫20～24h，得顆粒；焙燒條件為：將水熱反應所得顆粒在氬氣氣氛下，以3～5℃/min的速度升溫至950～1000℃并保溫6～10h；以2～3℃/min的速度降至室溫，得納米FeNbO₄/石墨烯復合材料。所得納米FeNbO₄/石墨烯復合材料的電化學性能較水熱法合成的納米FeNbO₄以及固相燒結法合成的微米FeNbO₄均有所提高。

技術領域

本發明涉及一種納米FeNbO₄/石墨烯復合材料及其制備和應用，屬于新能源技術領域。

背景技術

隨著石油、天然氣等不可再生資源的日益枯竭、人們對環境的日益重視以及可再生性強的電能的生產日趨高效，作為儲備電能的鋰離子電池正從便攜式用電設備進一步應用到新能源汽車、智能電網等戰略新興產業。無論是智能電網還是新能源汽車對鋰離子電池的安全、功率、容量等性能提出了更高的要求。

目前已經商業化的鋰離子電池負極材料有六方或菱形層狀結構的人造石墨和天然改性石墨等碳負極材料以及立方尖晶石結構的鈦酸鋰(LTO，Li₄Ti₅O₁₂)。但是當以石墨為負極材料時，在首次充放電過程中會造成電解液的分解，嚴重的降低了其可逆容量，而且在充放電循環過程中，隨著鋰離子的脫嵌和溶劑分子嵌入到石墨中，容易引起碳負極材料的體積變化，從而導致石墨層的坍塌。加之鋰離子在石墨層中的擴散率較低，導致其倍率性能不佳，同時過充時石墨表面易形成鋰枝晶，引起電池內部短路。 LTO材料雖然具有零應變、穩定的循環性能以及高熱穩定性等優點，但因其材料本身為絕緣體，電子電導率和離子電導率很低(固有電導率僅為10^-9S/cm)，導致其高倍率性能較差。為了滿足動力電池對電極材料高能量密度、長使用壽命以及安全性的要求，研究人員一方面不斷改進現已商業化負極材料的性能，一方面不斷研究探索新型負極材料。其中硅基、錫基負極材料憑借其極高的理論容量受到了廣泛的關注。其中硅基材料具有最高的比容量，鋰化成Li_4.4Si時，其理論容量達到4200mAh/g，是現有商業化石墨負極材料的十倍多。但當以硅作為鋰離子電池負極材料時，在充放電過程中，由于與鋰離子作用時會合金化，產生較大的體積效應，體積改變達到400％，容易使材料的結構破壞和電極粉化，從而使其循環效率大大降低。目前硅基負極材料的研究主要集中在Si/M(M為金屬元素)類和Si/C類復合材料，多采用納米合成以緩解其體積膨脹。錫基負極材料主要包括金屬錫，錫基氧化物以及錫基合金。其理論容量比石墨負極高出500mAh/g以上，但在脫嵌鋰過程中也存在巨大的體積效應，體積改變達到 260％左右，嚴重地惡化其循環性能，而且其首次不可逆容量較大，這些都極大地限制了其在實際生產中的應用。

鈮基負極材料主要包括鈮氧化物，鈦鈮氧化物等。由于鋰離子在其中的費米能級較大，因此鈮基負極材料對鋰離子的電位較高。而鈮元素本身具有很多的價態變化，因此鈮基負極材料一般具有較高的理論比容量。目前，鈮基負極材料的合成方法主要為固相法和水熱法。傳統固相法合成的材料往往存在著顆粒粒徑過大、分散不均勻且團聚比較嚴重等現象，這直接造成材料的比表面積過小、與電解液接觸不過充分，且在充放電過程中容易加劇材料的破裂-粉化-脫落過程，同時大粒徑的顆粒會增加鋰離子的擴散路徑的長度并減少其擴散路徑的數量，從而嚴重惡化材料的循環倍率等性能。而單獨采用水熱法在一定程度上能緩解因顆粒過大而帶來的不利影響，但是對材料電化學性能的改善程度相對有限。

發明內容