[發明專利]一種石墨化碳包覆電極材料及其制備方法和作為儲能器件電極材料的應用

有效

• 申請號: 201711157386.7
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN108155353B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 紀效波;張艷;鄒國強;侯紅帥;徐為
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054;C01B32/205;C01G23/053
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種石墨化碳包覆電極材料及其制備方法和作為儲能器件電極材料的應用；該材料由石墨化碳包覆電極材料構成，其制備方法是將有機物與電極材料或電極材料前驅體混合物料置于保護氣氛下，在800～2000℃溫度下煅燒，即得石墨化碳包覆電極材料，該材料具有石墨化碳包覆層，能增加電極材料導電性，提高材料儲能過程的電子傳輸過程，從而改善電極材料的高倍率性能和長循環性能。該方法可操作性強，工藝簡單，成本低廉，產量高，具有普適性，能夠高效地改善電極材料的儲能性能，適于商業化生產。

技術領域

本發明涉及一種改性電極材料，特別涉及一種石墨化碳包覆電極材料及其制備方法和作為儲能器件電極材料的應用，屬于儲能技術領域。

背景技術

碳材料，尤其是石墨化碳，具有類似于石墨烯的層狀結構，同時具有優異的電導率，被視為是提高其他電極材料的電子傳輸率的較為理想的材料。

為了改善電極材料的導電性，傳統的方法是在反應體系中直接添加乙炔黑、碳納米管或者石墨烯等碳成分從而得到復合電極材料，但是這些材料無法實現均勻的包覆或者在碳材料表面均勻生長，都存在分散不均勻以及團聚現象；另外，這種非原位形成的復合材料碳基質與電極材料的界面并不是緊密連接，隨著電極材料的充放電反復循環后，界面很容易脫離分裂從而影響電池材料的長循環性能和倍率性能。其次，無定形碳雖然能夠與電極材料原位合成形成均勻碳包覆的電極材料，但是無定形碳提供的導電性無法與石墨化碳的導電性抗衡。因此，近幾年石墨化碳的制備與電極材料的原位合成引起了很多的關注。比如，趙東元院士報道了由葡萄糖與二氧化鈦電極前驅體通過高溫裂解獲得石墨化碳包覆二氧化鈦(TiO₂)空心球，該復合材料表現出優異的儲鋰性能[J.Am.Chem.Soc.2015,137,13161-13166]；同時，美國阿貢實驗室也報道由Ni-MOF高溫裂解作用獲得石墨化碳均勻包覆的氧化鎳(NiO)復合材料具有超長的高倍率儲鈉循環性能[ACS nano,2015,10(1):377-386]。此外，從雜原子芳香類有機物及其衍生物高溫裂解很容易制備獲得氮、硫摻雜或者共摻雜的石墨化碳，不僅能改善電極材料的電子傳輸率提高本體材料的儲能性能，而且自身還能作為優異的儲能材料。

發明內容

針對現有的碳材料包覆改性電極材料包覆不均勻，易團聚，碳材料與電極材料的界面連接不緊密，容易脫離分裂，碳材料石墨化程度低，導電性較差等問題。

本發明的第一個目的是在于提供一種高石墨化碳原位包覆，具有分散性和穩定性好、電化學活性高等優點的改性電極材料。

本發明的第二個目的是在于提供一種步驟簡單、操作可控性強、成本低的制備石墨化碳包覆電極材料的方法，該方法有利于工業化生產。

本發明的第三個目的是在于提供所述石墨化碳包覆電極材料的應用，將作為電極材料應用于儲能器件，可以提高儲能器件的容量、倍率性能、延長使用壽命。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種石墨化碳包覆電極材料的制備方法，該方法是將有機物與電極材料或電極材料前驅體的混合物料置于保護氣氛下，在800～2000℃溫度下煅燒，即得；所述混合物料中至少包含鐵、鈦、銅、鈷、鎳中至少一種金屬元素。

優選的方案，所述有機物包括C₆～C₁₆的烷烴、C₅～C₁₁的醇類化合物、C₇～C₁₅的芳香類化合物、芳雜環類化合物、糖類化合物、纖維素、聚丙烯腈、聚維酮、聚氯乙烯類、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸中至少一種。糖類化合物如蔗糖、淀粉、葡萄糖等。