[發明專利]異質元素摻雜四氧化三鐵/石墨烯負極材料

有效

• 申請號: 201810112352.4
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108400296B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 吳川;任海霞;白瑩;吳鋒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/054
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 張群峰;錢揚保

異質元素摻雜四氧化三鐵/石墨烯負極材料，通過以下方法制備：提供鐵鹽溶液；提供異質金屬鹽溶液；提供沉淀劑溶液；將異質金屬鹽溶液滴入鐵鹽溶液獲得混合金屬鹽溶液；在混合金屬鹽溶液中攪拌滴入沉淀劑溶液獲得混合溶液；將混合溶液在密閉反應釜中進行溶劑熱反應；離心分離獲得沉淀物；將沉淀物分散到石墨烯水溶液中形成懸浮液；冷凍干燥懸浮液獲得海綿狀復合材料；以及碳化處理所得復合材料以形成用于鈉離子電池的負極材料。本發明顯著提升了四氧化三鐵在二次新能源鈉離子電池中可逆循環比容量，增強了電池循環時的穩定性，實現電池的高容量、大倍率的快速充放電，使四氧化三鐵作為負極材料在新能源領域上具有更廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及用于鈉離子電池的負極材料。

背景技術

隨著科學技術的日益進步，人們對能源的需求不斷增加，而傳統的化石燃料存在著資源有限、不可再生、利用率低、且燃燒時帶來的有毒氣體和溫室效應，開發高效的新能源成為了當務之急。目前，鋰離子電池因為其具有較高的理論比容量，循環壽命長，工作電壓高，沒有記憶效應，環境友好等優點，已經廣泛應用于便攜式電子設備和新能源汽車等領域，成為新能源二次電池的主流。然而，隨著大規模智能電網的快速發展，以及電動汽車的推廣應用，有限的鋰資源難以滿足人們對能源的需求，鋰的價格近年來成倍增長和地殼中鋰資源分布不均勻等，開發高效的新能源成為了我們目前急需解決的關鍵問題之一。金屬鈉資源豐富(鋰的地殼豐度僅為0.006％，鈉的地殼豐度為2.64％)，價格低廉，環境友好，且與金屬鋰同為第一主族堿金屬元素，與鋰有相似的化學性質，近年來受到眾多國內外企業和研究學者的青睞，被認為是在今后大規模儲能方面極具發展前景的理想選擇。

有研究表明，四氧化三鐵作負極材料有較高的理論比容量(Fe₃O₄理論容量高達926mAh g^-1)，而且資源豐富，分布廣泛，成本低廉，無毒環保，安全可靠。可見四氧化三鐵是一種非常具有發展前景的鈉離子電池負極材料。Komaba等用球磨法合成不同粒徑Fe₃O₄，首次報道了Fe₃O₄在鈉離子電池中的應用，并證實了材料粒徑對充放電性能的影響。同大多數過渡金屬氧化物負極材料相同，四氧化三鐵也存在一些類似問題，例如，由于鈉離子的半徑(0.106nm)要遠大于鋰離子的半徑(0.076nm)，在充放電時鈉離子脫出嵌入過程中，負極材料體積膨脹，結構坍塌，循環穩定性較差，導電性低，倍率性能有待提高等。目前，為解決這些問題，Srirama Hariharan等通過制備4nm的Fe₃O₄顆粒，減小鈉離子脫嵌過程中穿梭距離，其初始充放電比容量分別為366和643mAh g^-1，但是其循環性能不佳，10周后容量保持率僅為65％。P.Ramesh Kumar等通過使用海藻酸鈉作為粘結劑的方法提升Fe₃O₄的循環穩定性，在0.1C下，循環50周仍能保持248mAh g^-1的可逆循環比容量。Huan Liu等通過水熱法制備3D-0D Fe₃O₄量子點/石墨烯復合物，在0.1C下，循環200周仍能保持312mAh g^-1的可逆循環比容量，然而其倍率性能有待提升，在5C的倍率性能下，材料僅有63mAh g^-1的可逆循環比容量。此外，有研究學者們將目光投向制備具有特殊的形貌金屬氧化物負極材料，但這些方法大多數步驟繁瑣，合成工藝復雜，而達到的實際循環性能較理論容量仍有很大的提升空間，材料的利用率不高。

針對上述問題，尋找一種減緩四氧化三鐵體積坍塌、提升循環過程中穩定性，增加電極材料導電性、實現大倍率下高效快速充放電的方法十分重要。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種負極材料，其能夠至少克服上述提及的某種或某些缺陷。

根據本發明的第一方面，提供了一種用于鈉離子電池的負極材料的制備方法，包括：