[發明專利]三維復合電極材料及其制備方法、電極和儲能器件

在審

• 申請號: 201711081232.4
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN109755570A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 李長青;靳巖;張林;姜春華
• 申請（專利權）人: 北京碳陽科技有限公司
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M4/36;H01M10/0525;H01M10/30
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 嚴政;劉依云

本發明涉及電極材料領域，公開了一種三維復合電極材料，所述三維復合電極材料包括石墨烯片和附著在所述石墨烯片上的復合四氧化三鐵顆粒，其中，所述復合四氧化三鐵顆粒為核殼結構，核為四氧化三鐵顆粒，殼層為碳。本發明三維復合電極材料的方法包括以下步驟：(1)將氧化石墨烯、可溶性鐵源和溶劑混合，制成溶膠；(2)將所述溶膠與可溶性含碳添加劑和沉淀劑混合，并將得到的混合物進行水熱反應；(3)將步驟(2)得到的產物依次進行過濾、干燥和熱處理。本發明的三維復合電極材料能夠大幅提高材料的比電容量，同時保持較高倍率特性與循環穩定性，而且制備方法簡單，容易實現規?；慨a，同時過程中沒有危害環境的廢棄物產生，制備過程也不會對人身健康構成危害，安全環保。

技術領域

本發明涉及電極材料領域，具體地，涉及三維復合電極材料及其制備方法、電極和儲能器件。

背景技術

微型儲能器件由于具有高的能量存儲密度、柔性化、功能集成化的特點，特別適合應用在智能穿戴和醫療健康等高科技領域。隨著微型儲能器件的興起，對電極材料提出了更高的要求，需要高比電容量、耐大電流充放電、電化學穩定性好、安全性高的電極材料與之匹配。石墨烯以及石墨烯基復合電極材料已被證明是一種極具前景的高性能電極材料，不僅仍有很大的研究空間和突破的可能，而且有望較快實現其工業應用。研究表明，利用石墨烯與納米電極材料之間構建新型的納米結構以及它們之間的協同效應，可以取得意想不到的效果。例如，wang et al.(Nano Energy，2014，7，86-96)利用Fe₂O₃和氧化石墨烯之間的協同作用，得到了一種比電容遠遠高于單一物質的復合納米結構，在50A/g的電流密度下，比電容為622F/g；而Fe₂O₃由于電導率低，在20A/g的電流密度下，其比電容僅為91F/g；在同樣的電流密度下，石墨烯凝膠的比電容為200F/g。

四氧化三鐵具有較高的理論比電容量(924mAh/g)，電位較負(-1.2-0V vsSEC)，同時具有電導率高、成本低廉、環境友好的優點，因此，是一種理想的負極材料。但是，由于電化學反應過程是基于Fe³⁺與Fe之間的氧化還原轉換發生的，造成較大的體積膨脹，容易出現結構塌陷以及電極粉化破壞問題。為此，通常采用兩種方法：一是材料的納米化，通過減小顆粒尺寸緩解充放電過程中結構的破壞；二是通過與高電導率的材料進行復合，提高材料的電導率，同時表面的包覆可以對晶格膨脹與收縮起到限制作用，常用的復合材料主要是納米碳結構材料，包括無定型碳、碳納米管和石墨烯。例如，Wang et al.(RSC Adv.2015,5,88191-88201)通過水熱法并結合化學氣相沉積成功制備出石墨烯、四氧化三鐵和碳的三元復合物；Zhao et al.(Applied Materials&Interfaces)利用液相自組裝并結合惰性氣體保護下碳化的方法制備了三明治結構的石墨烯、四氧化三鐵和碳的三元復合物，采用石墨烯與四氧化三鐵復合并結合碳包覆，由于四氧化三鐵處于石墨烯的導電片層之間，表面具有石墨烯與碳層的雙重包覆；在上述文獻中，雖然可以一定程度上提高石墨烯、四氧化三鐵和碳的三元復合物的導電性能，但是，現有該三元復合材料的制備方法尚存在一些缺點，諸如制備過程中涉及易燃的危險氣體作為碳源，不僅制備過程對人的健康構成嚴重危害、有危害環境的廢棄物產生，而且制備過程過于繁瑣，不利于大規模生產，而且本領域技術人員尚未意識到上述問題，或即使已意識到上述問題但目前并沒有給出可行性解決方案。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的上述缺點，提供一種三維復合電極材料及其制備方法、電極和儲能器件。本發明所述的三維復合電極材料具有較好的電化學性能，而且制備該三維復合電極材料的方法中采用無毒的含碳添加劑作為碳源，安全環保，而且制備過程簡單，利于大規模生產推廣。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種三維復合電極材料，所述三維復合電極材料包括石墨烯片和附著在所述石墨烯片上的復合四氧化三鐵顆粒，其中，所述復合四氧化三鐵顆粒為核殼結構，核為四氧化三鐵顆粒，殼層為碳。