[發明專利]納米Fe3O4@C原位復合多孔鋰離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201810262597.5
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108428877A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 李峻峰;包珊珊;劉磊;何歡;李平;肖逸菲;張佩聰;賴雪飛
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M10/0525;B82Y30/00
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本發明公開了納米Fe₃O₄@C原位復合多孔鋰離子電池負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池電極材料生產技術領域。本發明基于檸檬酸鹽的多羥基結構特征，從分子尺度設計以檸檬酸鐵螯合物為前驅體，碳化得到Fe₃O₄彌散分布于多孔碳骨架中的原位Fe₃O₄@C復合多孔鋰離子電池負極材料。本發明采用絡合沉淀法制備檸檬酸鐵前驅體并在惰性氣氛中進行碳化，Fe³⁺在原位位點上生成Fe₃O₄，C₆H₅O₇^3?分解形成碳骨架，多孔結構則得益于其他分解產物的溢出，其制備條件溫和，合成工藝簡單可控，成本低。本發明合成的電極材料可實現Fe₃O₄的原位納米晶化及彌散分布，且不需外加碳源，同時，碳的多孔結構有利于提高電子遷移速率，增強電解液和電極材料的接觸而改善電極材料的儲鋰性能，實現Fe₃O₄與多孔碳結構的協同作用，有效解決Fe₃O₄體積效應引起的容量衰減顯著，循環穩定差等問題，使得Fe₃O₄@C復合材料實現良好的電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種納米Fe₃O₄@C原位復合多孔鋰離子電池負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池材料領域。

背景技術

針對儲能及動力電池所提出的高能量密度、長使用壽命、安全性能及低成本等要求，鋰離子電池電極材料近年來得到了大量研究。但目前商業化的石墨碳負極材料理論容量低（372 mAh·g^-1），難以滿足鋰離子電池高能量密度的需求，因此開發具有高容量、長循環壽命及成本低的新型負極材料是目前研究的主要方向。Fe₃O₄理論容量達924 mAh·g^-1，儲量豐富且安全性高，因此在鋰離子電池負極材料的研究過程中備受關注。但Fe₃O₄作為鋰離子電池負極材料會在循環充放電過程中產生體積膨脹導致電極材料粉化甚至脫落，最終電池表現出低比容量和較差的循環穩定性。為改善Fe₃O₄的電化學穩定性，其改性研究主要是納米化和結構功能化。

CN 103579614B采用電化學沉積技術，將金屬Fe沉積在具有三維立體開放結構的C@TiO2、C@TiC等納米線陣列上，然后在生長溶液中進行原位生長，最后通過煅燒形成Fe-Fe3O4復合負極材料。CN 102623692A則采用機械球磨的方式將鐵鹽和石墨進行混合，隨后在惰性氣氛中進行熱處理得到Fe3O4@C復合材料。也有研究指出以含Fe³⁺/Fe²⁺的無機鹽和有機聚合物混合，通過碳化得到氧化鐵/碳復合材料。雖然上訴方法能在一定程度上改善電極材料的電化學性能，但是其合成過程需要外加碳材料，或合成過程要求高，工藝流程復雜，且上述方法仍然存在體積膨脹明顯和顆粒團聚的現象，倍率性能和循環穩定性均較差，不能兼顧性能和成本需求，極大限制了Fe₃O₄在鋰離子電池材料市場的生產應用和推廣。

檸檬酸鐵中檸檬酸根的絡合作用大，形成的絡合物對Fe³⁺具有很強的空間限位作用。利用檸檬酸鹽中三個羥基（－OH）螯合Fe³⁺，使得Fe³⁺在惰性氣氛中原位生成納米Fe₃O₄，C₆H₅O₇^3-分解為無定形碳，其他產物（如H₂O）的分解則起到造孔作用形成多孔結構，最終Fe₃O₄彌散分布于多孔碳骨架中形成原位納米Fe₃O₄@C復合材料。