[發(fā)明專利]一種鐵酸鋅/二氧化錳復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810207863.4
• 申請(qǐng)日: 2018-03-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108336343A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金波;董春偉;蔣青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/50;H01M4/52;H01M10/0525
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林

本發(fā)明公開(kāi)了一種鐵酸鋅/二氧化錳復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用，涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：將一定量的六水硝酸鋅、九水硝酸鐵以及尿素加入由異丙醇和丙三醇組成的混合溶液中，充分?jǐn)嚢韬螅瑢⒎磻?yīng)液轉(zhuǎn)入不銹鋼高壓反應(yīng)釜進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)。反應(yīng)得到的前驅(qū)體經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥以及退火后得到鐵酸鋅。再將制備的鐵酸鋅、高錳酸鉀以及鹽酸水溶液按照一定的比例混合后轉(zhuǎn)入不銹鋼高壓反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到的反應(yīng)終產(chǎn)物鐵酸鋅/二氧化錳可作為鋰離子電池負(fù)極材料。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，效率高，能耗低，可控性好。另外，該復(fù)合材料具有較高的初始放電容量，超長(zhǎng)的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池負(fù)極材料，尤其涉及一種鐵酸鋅/二氧化錳復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用，屬于先進(jìn)納米復(fù)合材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高性能電極材料的發(fā)展是下一代高能量密度鋰離子電池發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。商業(yè)化的石墨已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。然而，由于形成插入式化合物L(fēng)iC₆，所以其最高理論容量為372毫安時(shí)每克，并且嵌鋰電位低，在充放電過(guò)程中石墨表面可能引起金屬鋰的沉積，存在一定的安全隱患。因此，為了滿足各種不同商業(yè)化電子設(shè)備的能量需求，相當(dāng)多的努力已經(jīng)集中在尋找可替代的電極材料。

最近，納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅和三元鋅基金屬氧化物(例如：鐵酸鋅、錳酸鋅和鈷酸鋅等)作為有希望的鋰存儲(chǔ)材料已經(jīng)得到極大的關(guān)注，由于它們具有高比容量，低成本和環(huán)境友好的特點(diǎn)。然而，它們差的電導(dǎo)率和在循環(huán)過(guò)程中的體積改變，極大地限制了它們的倍率性能并造成電極粉化。合理設(shè)計(jì)和容易合成的鋅基金屬氧化物電極材料對(duì)于高倍率和可逆的鋰存儲(chǔ)仍然具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在各種不同的策略中，構(gòu)建空心結(jié)構(gòu)已經(jīng)吸引了廣泛的關(guān)注。過(guò)渡金屬氧化物通過(guò)多種不同的策略提供了很多令人興奮的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)大的可逆容量，包括合金化/去合金化過(guò)程和轉(zhuǎn)化反應(yīng)等。

鐵酸鋅具有標(biāo)準(zhǔn)的尖晶石結(jié)構(gòu)，鋅離子占據(jù)四面體的位點(diǎn)，鐵離子占據(jù)八面體的位點(diǎn)。鐵酸鋅提供了轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金化/去合金化反應(yīng)機(jī)制的結(jié)合。每個(gè)單元的鐵酸鋅可以容納九個(gè)鋰，因此具有較高理論容量(1072毫安時(shí)每克)，因而備受人們的關(guān)注。但是，由于鐵酸鋅自身導(dǎo)電性差和體積膨脹的缺點(diǎn)，在充放電過(guò)程中容量衰減快和高倍率充放電性能差，因而限制了其商品化應(yīng)用。為了改善鐵酸鋅的電化學(xué)性能，研究者進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在合成不同形貌的納米結(jié)構(gòu)和構(gòu)建空心結(jié)構(gòu)而后形成復(fù)合材料等，如在現(xiàn)有技術(shù)““Polypyrrole-coated zinc ferrite hollow spheres with improved cyclingstability for lithium-ion batteries”,Xiaoran Sun et al.,Small 12(2016)3732-3737”中提到“聚吡咯包覆后的空心鐵酸鋅的放電比容量得到顯著提高，在400毫安每克電流密度下循環(huán)100圈后能夠提供698毫安時(shí)每克的放電比容量”，然而循環(huán)壽命還有待于進(jìn)一步提高。如在現(xiàn)有技術(shù)““One-pot synthesis of ZnFe₂O₄/C hollow spheres assuperior anode materials for lithium ion batteries”,Yuanfu Deng et al.,Chem.Commun.47(2011)6828-6830”、““A facile bubble-assisted synthesis of porousZn ferrite hollow microsphere and their excellent performance as an anode inlithium ion battery”，J Solid State Electrochem 17(2013)2055–2060”中提到“空心結(jié)構(gòu)的鐵酸鋅增加了自身比表面積、促進(jìn)了電極和電解液的接觸以及有效的緩解了體積膨脹”，然而放電比容量還有待于進(jìn)一步提高。目前，解決鐵酸鋅的循環(huán)穩(wěn)定性和提高鐵酸鋅的放電比容量是需要解決的技術(shù)難題，本發(fā)明針對(duì)這一問(wèn)題，提出以鐵酸鋅作為改性相、二氧化錳作為表面包覆層，形成繡球花狀的鐵酸鋅/二氧化錳核殼結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)鐵酸鋅/二氧化錳復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性并且提高其放電比容量。