[發明專利]一種碳@硅酸鐵空心結構復合物及其制備方法

有效

• 申請號: 201810053946.2
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108232167B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 唐春娟;蘇劍峰;王昶清;孫瑞瑞
• 申請（專利權）人: 洛陽理工學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧;張華輝

本發明公開了一種碳@硅酸鐵空心結構復合物及其制備方法，該復合物內層為碳空心球，外層為由多個無定形硅酸鐵納米片縱橫交錯組成的球殼；該碳@硅酸鐵空心結構復合物的直徑為600nm，碳空心球的碳層厚度為9?11nm；單個硅酸鐵納米片的尺寸為150nm，其厚度為4?5nm。所述碳@硅酸鐵空心結構復合物可用作鋰離子電池負極活性材料。本發明方法工藝簡單、條件溫和，制備的碳@硅酸鐵空心結構復合物具有優良的電化學性能，作為鋰離子電池負極活性材料時，具有高的比容量、良好的循環穩定性和優異的倍率性能，是高容量、長壽命鋰離子電池的潛在應用材料。

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學器件技術領域，具體涉及一種硅酸鐵納米片生長在苯酚小球表面的制備方法，伴隨后續的退火過程，生成碳@硅酸鐵空心結構復合物，該材料可作為鋰離子電池負極活性材料。

背景技術

目前，商業化的鋰離子電池廣泛使用石墨作為負極活性材料，然而石墨的理論容量太低，僅有372mAh g^-1，隨著電動車等需求高能量高功率用電器的出現，石墨已無法滿足需求，急需開發新型高容量的電池負極材料。為了降低鋰離子電池成本，要求我們所選用的負極材料儲量豐富，且價格便宜，易于合成。

近幾年，越來越多的儲能材料研究者將目光投向硅酸鹽，因為硅酸鹽在地球上的儲量豐富、價格低廉、對環境無害，而且具有較高的充放電比容量。目前已有許多關于硅酸鹽作為鋰離子電池負極材料和電容器及電催化材料的研究和報道。鐵是儲量非常豐富的金屬元素，在地殼中的存儲量僅次于鋁，并且鐵的化合物合成過程十分簡便。硅酸亞鐵具有易于制備、比容量高和環境友好等優點已被廣泛研究，由于其獨特的層狀結構能夠在一定程度上緩解鋰離子在嵌入脫出過程中材料的體積變化，因此具有優良的儲鋰性能。但硅酸鹽的導電性很差，導致其倍率性能較差，同時容量衰減非常快，循環穩定性非常不好。

近年來，研究表明，無定形材料在鋰離子的運輸和緩解體積膨脹方面具有明顯優勢，因為無定形材料更有利于鋰離子的快速嵌入和脫出，并且在脫嵌鋰的過程中不會被破壞結構。另外，為了有效緩解體積膨脹，將活性材料制成空心或者多孔結構也是常用的策略。

為了解決電極材料導電性差的問題，常用的方法是與高導電性的碳材料復合。構筑碳@硅酸鐵芯殼結構的空心球，共有兩個優勢：碳能夠提升材料導電性；空心結構則有效解決了硅酸鹽在脫嵌鋰過程中產生的體積膨脹問題，這種結構能夠極大提高材料的電化學性能。

發明內容

本發明為了解決硅酸鐵導電性差以及在充放電過程中體積變化較大的問題，提出一種碳@硅酸鐵空心結構復合物及其制備方法，利用化學模板方法制備空心球結構，并進一步退火碳化，構筑碳球@硅酸鐵空心結構，該方法工藝簡單、條件溫和，制備的碳@硅酸鐵空心結構復合物具有優良電化學性能，可作為鋰離子電池負極活性材料。

本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種碳@硅酸鐵空心結構復合物，該復合物內層為碳空心球，外層為由多個無定形硅酸鐵納米片縱橫交錯組成的球殼；該碳@硅酸鐵空心結構復合物的直徑為600nm，碳空心球上碳層的厚度為9-11nm；單個硅酸鐵納米片的尺寸為150nm，其厚度為4-5nm。

本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。

前述的碳@硅酸鐵空心結構復合物，可用作鋰離子電池負極活性材料。

本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術方案。

一種碳@硅酸鐵空心結構復合物的制備方法，包括以下步驟：

1)將去離子水和無水乙醇混合，并加入氨水使溶液呈堿性，攪拌10分鐘；

2)將間苯二酚加入上述溶液，攪拌10分鐘；之后加入正硅酸四乙酯，繼續攪拌10分鐘；然后再加入甲醛，攪拌24小時；