[發明專利]一種梭狀鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710620342.7
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107611425B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 蔣仲杰;程思
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M4/583
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發明公開了一種梭狀鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料及其制備方法與應用，該復合負極材料為梭狀結構，由碳骨架復合鐵酸鋅二級納米顆粒構成，其中鐵酸鋅含量為鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料質量的60?90%。該材料制備方法為：運用有機金屬框架作為鏈接劑和碳源，與金屬鹽混合進行水熱反應，離心洗滌干燥獲得前軀體后再經過退火反應得到梭狀鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料；本發明的梭狀結構鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料結構穩定，導電性能良好，作為鋰離子電池負極材料具有優異的循環穩定性和倍率性能；該方法操作簡單，控制方便，成本低廉，環境友好，能夠適用工業化規模生產，實現鋰離子電池的實際應用。

技術領域

本發明屬于電化學領域，具體涉及一種梭狀鐵酸鋅/碳鋰離子電池納米復合負極材料及其制備方法與應用。

背景技術

隨著當前社會對能源需求的日益增長，導致了日漸嚴重的能源危機和環境問題，從而激發了人們對于新能源以及能量儲存與轉換技術的不斷研究。20世紀末索尼公司成功開始商業化的鋰離子電池吸引著絕大多數人的目光，以其在能量存儲與轉換方面獨特優勢現也已運用到計算機，手機等多種電子設備中。但隨著電動汽車和儲能技術的進一步發展，對鋰離子電池提出了更高的要求，要求實現高能量密度的同時，保持好的倍率性能和循環穩定性以及更質輕安全、環境友好。從鋰離子電池的組成出發，可以通過對重要組成部分的電極材料的研究來改善這一現狀。

負極材料作為儲鋰的主體，是鋰離子電池重要的組成部分，商業化的石墨負極只有372 mAh g^-1的這樣一個比較低的理論比容量，遠不能達到未來發展要求。而在當前有優勢的負極材料中，納米尺寸的過渡金屬氧化物（TMOs）大大吸引了人們的注意力，一方面納米尺寸的顆粒物具有較大的比表面積，提供更多的反應活性位點，同時為鋰離子傳輸縮短了反應路徑，另一方面過渡金屬氧化物一般具有較高的理論比容量，尤其以雙過渡金屬氧化物的理論比容量更高。

鐵基雙過渡金屬氧化物作為有希望的鋰電池負極材料來說，它具有相對鈷基雙金屬氧化物（MFe₂O₄，M=Ni，Mn，Zn，Co）更低的毒性、更廉價和更環境友好，而同時又能保證有一個高的理論比容量。在這之中，ZnFe₂O₄又從其他鐵基雙過渡金屬中突顯出來，因為儲鋰的過程中不僅存在轉換反應，還有Zn²⁺與Li⁺發生的合金反應，從而提升了儲鋰能力增加了比容量。但是，類似于其他的過渡金屬氧化物，ZnFe₂O₄還是會存在大的容量衰減即低的容量保持率和充放電過程中材料的體積變化，致使材料具有較低的循環穩定性和可逆性。針對上述的一些缺陷，研究者們紛紛做出了很大努力來進行改善，例如Won 等通過噴霧干燥法在450℃條件下合成出了核/中空/殼的ZnFe₂O₄，不同合成溫度下得到的材料結構有所不同，電化學性能也會有所區別，在電流密度0.5 C下經歷200圈循環，核/中空/殼的ZnFe₂O₄放電容量為862 mAh g^-1，遠高于350 ℃得到的實心ZnFe₂O₄和400 ℃得到的核殼結構ZnFe₂O₄（J. M.Won, S. H. Choi, et al. Electrochemical properties of yolk-shell structuredZnFe(2)O(4) powders prepared by a simple spray drying process as anodematerial for lithium-ion battery[J]. Scientific reports, 2014, 4: 5857.）；Xing等采用低溫水熱反應法成功制備出單晶相八面體ZnFe₂O₄，從掃描電鏡圖可以看出這種八面體外形勻稱表面光滑，尺寸為100-350 nm，電化學性能測試顯示八面體ZnFe₂O₄在0.06C電流密度下首次放電容量為1350 mAh g^-1，循環了80次之后的比容量為910 mAh g^-1，同樣在高電流密度1C下進行了測試，循環300圈的放電容量仍有730 mAh g^-1，展現出了一個較好的循環穩定性和高倍率下的高容量性能（P. F. Teh, Y. Sharma, et al. Nanoweb anodescomposed of one-dimensional, high aspect ratio, size tunable electrospunZnFe₂O₄ nanofibers for lithium ion batteries[J]. J. Mater. Chem., 2011, 21,14999–15008.）。