[發明專利]一種碳氮鐵復合負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710850387.3
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107785547A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 蘇州思創源博電子科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及電池材料領域，具體涉及一種碳氮鐵復合負極材料的制備方法。

背景技術

隨著全球能源危機問題日益嚴重，開發清潔無污染及可再生新型能源是當今科技研究的重要方向。而鋰離子電池因為具有能量密度高、電壓平穩、循環壽命長和自放電率小工作溫度范圍寬、安全無記憶效應等優點日益受到人們的重視。

由于Na元素在自然界中儲量豐富，約占地殼儲量的2.64％、且分布廣泛、開發成本低廉。與鋰離子二次電池相比，鈉離子電池(SIB)具有成本低、安全性高等特點，被認為是非常有發展潛力的二次電池體系。目前，世界上一些電池技術較為先進的國家已將鈉離子電池技術列為一個重要的基礎性和前瞻性研究領域，并作為未來重點關注的儲能電池技術發展方向。積極探索比容量高、循環壽命長、安全性能好、溫度適用范圍寬的新型鈉離子電池負極材料體系，已經成為國際上研發高性能鈉離子二次電池電極材料的共性問題。

鈉離子電池負極材料主要研究內容包括錫基材料、氧化物、合金材料、硫化物和磷化物等。鐵的氮化物(Fe₂N,Fe₃N)具有穩定性高，低成本，來源廣泛，無毒等優點，與現有的石墨電極(372mAhg^-1)相比，具有顯著的優勢。

硬炭是一種由石墨微晶以無定形結構交聯堆積組成的新型負極材料，該材料的層間距在0.38-0.4nm之間，大于石墨的0.34nm，有利于鈉離子的快速嵌入于脫出，并且材料在鈉離子的反復脫嵌過程中形變應力較小，能夠保持結構的穩定性，這些性能在電池中最終體現為充電速度的加快和使用壽命的延長。

發明內容

本發明提供一種碳氮鐵復合負極材料的制備方法，所述方法通過一步熱解法制備了氮摻雜的碳原位生長Fe₃N，方法簡單，結構新穎，通過此方法所制備的產物呈現出優良的儲鈉性能；本發明將硬碳成分用于負極材料碳包覆劑，負極材料比容量高，循環性能和倍率性能優良。

為了實現上述目的，本發明提供一種碳氮鐵復合負極材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

（1）制備氮化鐵

將尿素和檸檬酸鐵按質量比為40:(15-35)溶于去離子水中，攪拌均勻，然后將其冷凍干燥得到產物一；

將產物一進行熱解，得到產物二，熱解在真空管式爐中進行，氦氣為保護氣，熱解溫度為600-700℃，反應時間為3-5h；

將產物二用去離子水和丙酮洗滌，得到氮化鐵；

（2）稱取淀粉溶于無水乙醇中，攪拌5-6h，形成均一溶液，然后向溶液中加入上述氮化鐵以及與交聯劑，在120-180℃條件下交聯10-18h，得到固態前驅體；其中淀粉、氮化鐵、無水乙醇和交聯劑的質量比為1：（15-20）：（30-45）：（0.5-0.7）；

（3）將固態前驅體進行粉碎和篩分，得到粒徑為10-20μm的硬炭包覆粉體前驅體；

在流通的惰性氣體保護下，將硬炭包覆粉體前驅體裝入管式爐中，并以5-8℃/min的升溫速度加熱至450-580℃，保溫3-5h，進行預碳化；

預碳化過程結束后，再以10-15℃/min的升溫速度將管式爐的溫度升至1000-1200℃將材料碳化，得到碳氮鐵復合負極材料。

本發明具有如下優點和顯著效果：

（1）本發明所述方法通過一步熱解法制備了氮摻雜的碳原位生長Fe₃N，方法簡單，結構新穎，通過此方法所制備的產物呈現出優良的儲鈉性能；

（2）本發明將硬碳成分用于負極材料碳包覆劑，負極材料比容量高，循環性能和倍率性能優良。

具體實施方式

實施例一

將尿素和檸檬酸鐵按質量比為40:15溶于去離子水中，攪拌均勻，然后將其冷凍干燥得到產物一。

將產物一進行熱解，得到產物二，熱解在真空管式爐中進行，氦氣為保護氣，熱解溫度為600℃，反應時間為3h；將產物二用去離子水和丙酮洗滌，得到氮化鐵。

稱取淀粉溶于無水乙醇中，攪拌5h，形成均一溶液，然后向溶液中加入上述氮化鐵以及與交聯劑，在120℃條件下交聯10h，得到固態前驅體；其中淀粉、氮化鐵、無水乙醇和交聯劑的質量比為1：15：30：0.5。