[發明專利]鐵錫-鐵錫氮化合物一體化鋰離子電池負極及其制備方法

有效

• 申請號: 202011219244.0
• 申請日: 2020-11-04
• 公開（公告）號: CN112331815B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 劉文博;饒雪蘭;向鵬;顏家振;李寧
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/136;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/1395;H01M4/1397;H01M10/0525
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 郭萍

本發明提供了鐵錫?鐵錫氮化合物一體化鋰離子電池負極及其制備方法，該鋰離子電池負極由鐵錫化合物和鐵錫氮化合物組成，所述鐵錫化合物為單獨的FeSn，或者為FeSn和FeSn₂，所述鐵錫氮化合物為Fe₃SnN，該鋰離子電池負極具有雙連續、開孔式三維微米?納米復合分級孔結構，納米孔結構分布在由鐵錫化合物和鐵錫氮化合物共同構成的三維微米多孔骨架上。本發明可緩解錫負極材料在循環嵌脫鋰過程中產生的巨大體積變化，提高鋰離子電池錫負極的循環性能和比容量。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極領域，涉及鐵錫-鐵錫氮化合物一體化鋰離子電池負極及其制備方法。

背景技術

21世紀以來，隨著電子科技的不斷進步及綠色能源產業的不斷發展，便攜式移動設備、電動汽車、混合動力汽車以及智能電網存儲設備等對電池性能要求的日益增長，市場對高比能、長壽命和安全性好的電池需求愈加迫切。鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度高以及壽命長等優點，被認為是下一代動力電池的首選。鋰離子電池的性能主要取決于正極、負極材料，因此，研發高性能的電極材料是提升鋰離子電池性能的關鍵。

在過去四十年中，石墨是商業用可再充電鋰離子電池中最常見的陽極材料，但其存在理論比容量低、首次庫倫效率低，有機溶劑共嵌入等不足，難以滿足現今對高比能量電池的需要。因此，研發具有綜合性能良好的可替代負極材料迫在眉睫。錫及錫基負極材料作為鋰離子電池負極材料具有較高的理論比容量、導電性良好等特點，引起了研究者的廣泛關注。Li_4.4Sn的質量比容量為994mAh g^-1，比工業石墨大三倍，錫的體積比容量也高達7200mAh cm^-3，同時，錫負極對鋰電極具有很高的反應活性，在充放電過程中不會與溶劑共嵌入。雖然錫具有以上優勢，但錫合金作為鋰離子電池的負極材料時，在鋰離子脫嵌的過程中，會發生巨大的體積變化，產生較大內應力，導致錫從基體材料上粉化剝落，進而造成電極迅速失效，這大大限制了錫作為鋰離子電池負極材料的推廣應用。如何有效緩解錫負極材料在循環嵌脫鋰過程中產生的巨大體積變化，獲得電化學性能良好、長期穩定的電極結構成為了將錫基材料作為鋰離子電池負極研究的關鍵途徑之一。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供鐵錫-鐵錫氮化合物一體化鋰離子電池負極及其制備方法，以緩解錫負極材料在循環嵌脫鋰過程中產生的巨大體積變化，提高鋰離子電池錫負極的循環性能和比容量。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：

三維微納米復合多孔鐵錫-鐵錫氮化合物一體化鋰離子電池負極，由鐵錫化合物和鐵錫氮化合物組成，所述鐵錫化合物為單獨的FeSn，或者為FeSn和FeSn₂，所述鐵錫氮化合物為Fe₃SnN，該鋰離子電池負極具有雙連續、開孔式三維微米-納米復合分級孔結構，納米孔結構分布在由鐵錫化合物和鐵錫氮化合物共同構成的三維微米多孔骨架上。

上述一體化鋰離子電池負極的技術方案中，該鋰離子電池負極中的微米孔結構的尺寸優選為5～60μm。

上述一體化鋰離子電池負極的技術方案中，該鋰離子電池中的納米孔結構的尺寸優選為50～800nm。

上述一體化鋰離子電池負極，是由鐵錫合金經腐蝕液腐蝕形成的，腐蝕液由氫氟酸和硝酸組成，該鋰離子電池負極中的鐵錫化合物由鐵錫合金片中的富錫相及富鐵相發生部分溶解后，剩余的錫元素與鐵元素自組裝形成，該鋰離子電池負極中的鐵錫氮化合物由鐵錫合金片中的鐵錫化合物以及自組裝形成的鐵錫化合物被腐蝕液中的硝酸部分氧化形成，該鋰離子電池負極中的微米孔結構和納米孔結構是鐵錫化合物中的鐵以及錫被腐蝕后形成的。