[發(fā)明專利]木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910019936.1
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109742367B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡進(jìn)波;張翔;劉貢鋼;萇姍姍;李賢軍;劉元
• 申請（專利權(quán)）人: 中南林業(yè)科技大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58;H01M4/587;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 張麗娟

本發(fā)明公開了一種木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料，所述木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料中木質(zhì)炭纖維的直徑為1μm～10μm，金屬氧化物納米顆粒均勻分布于炭纖維表面。本發(fā)明還公開了前述復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，本發(fā)明的復(fù)合負(fù)極材料比容量大、倍率性能優(yōu)異、體積能量密度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池材料領(lǐng)域，尤其涉及一種木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，手機、平板電腦、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，以及新能源電動汽車的不斷普及，對能量存儲系統(tǒng)的需求在不斷提高。鋰離子電池作為新能源汽車的動力來源之一，已被列入我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要》（2006-2020年）中。石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料，因其具有穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，被廣泛使用。然而，由于石墨的理論比容量僅為372 mAh/g，使石墨負(fù)極材料已無法滿足對高能量密度和功率密度日益增長的需求。另外，大部分石墨負(fù)極材料都是通過天然礦產(chǎn)加工制得的，電動汽車的快速發(fā)展會導(dǎo)致石墨礦產(chǎn)資源的過度開采，使得石墨也將面臨和石油等不可再生資源類似的窘境。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，作為大規(guī)模商業(yè)化的電動汽車用鋰離子電池應(yīng)該采用環(huán)保可再生、成本低廉、性能優(yōu)異的負(fù)極材料。

生物質(zhì)衍生炭材料作為一種環(huán)保可再生材料日漸受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)炭材料可由多種廉價的天然原材料熱解而成，微觀結(jié)構(gòu)由石墨片層無序堆疊而成，平均層間距大于石墨，且其結(jié)構(gòu)中含有一定數(shù)量的微孔。有研究人員嘗試將生物質(zhì)原材料直接熱解得到炭負(fù)極材料，然而，該炭負(fù)極材料形貌不規(guī)整，難以完全發(fā)揮出應(yīng)用于負(fù)極材料時的比容量大、倍率性能優(yōu)異等特點。例如，公開號為CN107623105A的中國專利文獻(xiàn)以生物廢棄物（如芋頭莖、稻殼等）為原料制備的炭負(fù)極材料，存在制備方法時間長、步驟繁瑣等缺點，導(dǎo)致成本高，難以商業(yè)化，且該炭材料的顆粒尺寸大、形貌不規(guī)整，難以發(fā)揮生物質(zhì)炭材料的優(yōu)勢。公開號為CN106948032A的中國專利文獻(xiàn)以商用纖維素為原料，經(jīng)過催化石墨化制備了炭纖維負(fù)極材料，該法制備的炭纖維負(fù)極材料存在纖維狀形貌不明顯、比容量小（368 mAh/g）等特點，難以真正取代現(xiàn)有的石墨負(fù)極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種比容量大、倍率性能優(yōu)異、體積能量密度高的木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料，還提供一種原料來源豐富、環(huán)保可再生、工藝過程簡單的木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，并相應(yīng)提供其應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料，所述木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料中的木質(zhì)炭纖維的直徑為1 μm ～10 μm，金屬氧化物納米顆粒均勻分布于木質(zhì)炭纖維表面。

優(yōu)選地，所述木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料在充放電流為50 mA/g的條件下，首次放電比容量為823 mAh/g～979 mAh/g。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種前述的木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將木質(zhì)炭纖維分散于加有表面修飾劑的水溶液中，再加入金屬鹽，攪拌混合均勻后置于反應(yīng)容器中，在120℃～160℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)，在木質(zhì)炭纖維表面原位生長金屬氧化物前驅(qū)體后，得沉淀物；

（2）將步驟（1）所得沉淀物過濾、干燥后，于保護氣體氛圍下升溫至400 ℃～600℃進(jìn)行燒結(jié)，得木質(zhì)炭纖維/金屬氧化物復(fù)合負(fù)極材料。

作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述步驟（1）中，所述表面修飾劑為聚乙烯吡咯烷酮、季銨鹽中的一種，所述加有表面修飾劑的水溶液的濃度為0.1%～1%。

所述步驟（1）中，所述木質(zhì)炭纖維與金屬鹽的質(zhì)量之比為1 g∶1 g～5 g，所述金屬鹽為硝酸鎳、硝酸鈷、硝酸鐵、硝酸錳、高錳酸鉀中的一種或多種。