[發明專利]一種碳包覆Fe4

有效

• 申請號: 201711265934.8
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN108110231B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 張博棟;詹世英;馬美品
• 申請（專利權）人: 銀隆新能源股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/133
• 代理公司: 北京煦潤律師事務所 11522
• 代理人: 蘇慶

本發明提供了一種用于鋰離子負極材料的碳包覆Fe₄N納米復合材料、制備方法及其應用。所述碳包覆Fe₄N納米復合材料的尺寸為30?100nm，碳包覆層的厚度為5?10nm。方法包括：將雙氰胺與FeCl₃·6H₂O溶解得到均勻混合的溶液，加熱蒸干水分得到雙氰胺與FeCl₃·6H₂O的混合物，在管式爐內升溫反應，冷卻后得到Fe₄N粉末，采用葡萄糖包覆Fe₄N粉末，經碳化后得到碳包覆Fe₄N納米復合電極材料。該方法制備成本低，工藝簡單，制備得到的碳包覆Fe₄N納米復合材料形貌均一，用于鋰離子負極材料，具有良好的儲鋰性能、循環壽命和倍率性能。

技術領域

本發明涉及新能源材料技術領域，具體涉及一種用于鋰離子電池負極材料的碳包覆Fe₄N納米復合材料、制備方法及其在鋰離子電池負極材料的應用。

背景技術

鋰離子電池由于其高能量、高功率密度、高安全性和環境友好等特點已經被廣泛用于移動電子設備儲能等領域。目前，對于鋰離子電池的研究正朝著高能量或功率密度、較好的低溫性能以及高倍率性能的動力電池材料的方向發展。現有的鋰離子電池負極材料主要是碳負極材料，但是由于商業石墨負極的理論容量較低(372mAh/g)、較差的倍率性能、在首次充放電形成的S EI膜(固體電解質膜)極大造成容量的損失和容易引發安全問題等缺點，極大限制了在高功率密度型動力電池領域的應用。為了開發一種高能量密度且高安全性鋰離子電池負極材料來滿足高功率型動力電池的需求，實現較高的經濟效應、社會效益以及國家的發展戰略部署，所以迫切需要尋找石墨負極材料的替代品。新型電極材料的探索對于開發具有高容量和優異穩定性的可充電鋰離子電池至關重要。目前石墨負極材料的替代品包括改性石墨、Si基材料、Sn基材料和M_nX_m型(M是過度金屬，X是非金屬包括O、S、N、P、B或者聚合物)材料。對于M_nX_m型材料的儲鋰機理為活性材料部分或完全可逆分解成M⁰和相應的鋰鹽，其中可以簡單地表示為

過渡金屬氮化物由于其具有優異的電化學性能、高化學穩定性而有望應用于動力電池負極材料中。過渡元素(IIIB-VIII族)的具體電子結構的特征在于，價電子可以占據部分填充的d軌道，因為電子在4s和3d，5s和4d或6s 和5d之間的能量水平接近。當氮化物參與氧化還原反應時，產生多價態以有效地儲存能量。然而到目前為止，作為活性材料的氮化物仍然遠離實際應用，這是由于其較大的體積膨脹導致在循環電化學反應期間的容量快速衰減。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種碳包覆Fe₄N納米復合材料、制備方法及其在鋰離子電池負極材料的應用。通過將Fe₄N活性材料的尺寸減小到納米級，縮短鋰離子的擴散路徑和存儲時間并有效降低機械應力以適應不同體積的變化和改善電極材料的循環能力，并且，通過將Fe₄N活性材料與碳復合形成碳包覆結構，阻止其與電解液反應，保護活性物質Fe₄N，提高材料的穩定性，同時抑制其體積膨脹效應以及Fe₄N易團聚等缺點，并且，碳在循環嵌鋰/脫鋰過程中具有緩沖活性物質過量體積變化的作用，碳材料由于其自身的鋰離子存儲能力而對電池容量的提升有一定貢獻，碳的復合提高了電極的導電性并且有助于將活性材料的氧化還原反應過程中產生的電子傳遞給集流體，從而提高了作為鋰離子電池負極材料時的循環性能和倍率性能。

本發明采用如下技術方案：

一種碳包覆Fe₄N納米復合材料，所述Fe₄N顆粒的表面具有碳包覆層，所述碳包覆層的厚度為5-10nm，碳包覆Fe₄N納米復合材料的尺寸為30-100nm。