[發明專利]一種多級γ-Fe2O3/C納米片負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201810515877.2
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108666555A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 曹傳寶;楊麗芬
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
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本發明公開了一種多級γ?Fe₂O₃/C納米片負極材料的制備方法。本發明以微波法反應生成多級納米片的前驅體，之后將其轉移至高溫爐中進行高溫燒結，得到了具有多級γ?Fe₂O₃/C納米片負極材料。本發明制備方法工藝簡單，易操作，利于工業化生產，制備出的多級納米片結構不僅可以縮短鋰離子傳輸距離、提供更多的反應活性位點，還可以緩沖循環過程引起的體積變化和結構應變，應用于鋰離子電池，具有優異的可逆鋰存儲性能。本發明解決了鋰離子電池負極材料循環時性能和倍率性能差的問題，是一種很有前景可商業化的鋰離子電池負極材料。

技術領域

本發明提出了一種多級γ-Fe₂O₃/C納米片負極材料的制備方法，屬于鋰離子電池負極材料的合成及改性領域。

背景技術

能源是影響社會發展的主要因素，同時也是經濟社會發展的基礎。鋰離子電池因具有能量密度高、循環壽命長、且無記憶效應等優點被認為是最理想的儲能原件。目前鋰離子電池被廣泛應用于筆記本電腦、手機、航空航天、電動汽車等領域。

現在能量密度是制約鋰離子電池發展的重要因素，作為鋰離子電池核心之一的負極材料具有很大的改進空間，目前石墨作為商用負極材料的理論比容量只有372mAh·g^-1，并且石墨作為負極材料與有機溶液的相容性較差、安全性也較差。因此，很有必要尋找新型負極材料以取代石墨。

Fe₂O₃作為最重要的過渡金屬氧化物之一，因成本低、資源豐富、環境友好等優點已被認為是最有前景的負極材料，其作為鋰離子電池負極材料具有超高的理論比容量。然而，Fe₂O₃作為負極材料導電性較差，且電池充放電過程中劇烈的體積變化導致了Fe₂O₃循環穩定性較差。為克服這些障礙，有效方法之一就是選擇合適的晶相并設計合成具有超高比表面積的納米結構以增加反應活性位點。迄今為止，包括磁鐵礦Fe₃O₄、赤鐵礦(α-Fe₂O₃)和η-Fe₂O₃在內的多種晶相和多種形貌的氧化鐵均已用于鋰離子電池負極的研究。其中γ-Fe₂O₃晶相中存在很多空位，理論表明空位越多，離子狀態越活躍，導電性也較好，故γ-Fe₂O₃相比其他晶相導電性要好，因此選擇了γ-Fe₂O₃作為研究對象。

多級納米片因其獨特的物理、化學特性等已經引起廣泛的研究興趣，多級納米片結構能夠為電極和電解液提供更大的接觸面積，可以有效抑制和緩沖循環過程中的體積膨脹及應力變化。此外，多級納米片結構增大了電極和電解液的接觸面積，加速了電解液的滲透同時促進了鋰離子的傳輸。因此，多級納米片的構造是一種實現高性能鋰離子電池很有前景的方法。另一種提升電池性能的方法是復合，將碳材料整復合到γ-Fe₂O₃活性材料中組成復合納米結構，碳材料的存在一方面提高了電極材料的導電性；另一方面，碳材料和γ-Fe₂O₃/C多級納米片的協同作用可以有效緩解體積應變，從而共同促進了鋰離子電池的性能的提升。本發明在這兩種方法的基礎上做了進一步改良，其中極少部分碳用于還原Fe³⁺得到Fe²⁺，這是借助 N型半導體理論，當電極材料中同時存在Fe³⁺和極少量Fe²⁺，可以實現電子在鐵的兩種氧化態之間的迅速轉移，從而大大降低其電阻率。因此本發明有效結合了多級納米片結構、碳包覆和N型半導體的優點，共同提升了鋰離子電池的性能。