[發明專利]鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110970223.0
• 申請日: 2021-08-23
• 公開（公告）號: CN113823790B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 田慶華;袁欣陽;童匯;郭學益;喻萬景;丁治英;毛高強;姚渝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/184;C01B19/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 錢朝輝

本發明公開了一種鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料，包括石墨烯納米帶基體以及嵌入所述石墨烯納米帶中的球狀鈷鐵硒化物，所述鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料中石墨烯納米帶的質量占比為20?80％，所述石墨烯納米帶的寬度為10?100nm，所述鈷鐵硒化物的粒徑為0.5?4μm。本發明還提供一種上述鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料的制備方法。本發明的鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料由球狀鈷鐵硒化物嵌入石墨烯納米帶中形成的三維多級復合負極材料，可以抑制鈷鐵硒化物的體積膨脹，可以保證負極材料的結構穩定性，且負極材料的導電性、電化學循環性和倍率性能均很優異。

技術領域

本發明屬于電池材料領域，尤其涉及一種負極材料及其制備方法。

背景技術

近年來，鋰離子電池由于其出色的可充電性，合適的功率密度和出色的能量密度，作為可以引領我們邁向電動汽車(EV)革命的動力源，顯示出巨大的希望。目前鋰電池使用的商業石墨負極具有比較低的比容量(理論容量為372m·Ah·g^-1)，難以滿足下一代儲能裝置的高要求，尤其限制了車輛和大型蓄電設備的大規模商業化。與傳統的石墨負極相比，金屬硒化物具有更高的容量。而且，它們表現出相對更好的倍率性能和循環性能。

二元過渡尖晶石結構的AB₂X₄為金屬硫屬元素化物(其中A和B為過渡金屬，X為硫屬元素化物)最近在能量存儲和轉換系統中得到了廣泛關注。過渡金屬Fe，Co具有相似的原子半徑，其對應的硒化物通常具有相似的結晶相。此外，鐵和鈷兩種組合作為二元金屬硒化物具有“類金屬的導電性”。因此，鐵和鈷的硒化物有望得到廣泛的應用。

雖然與傳統石墨烯負極相比，鈷鐵硒化物具有較高的理論比容量，但因為在充放電過程中涉及到的合金化反應時會產生體積膨脹，引起材料粉化，不利于鈷鐵硒化物的結構穩定性和電化學性能的長久保持。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種結構穩定性好、電化學性優異的鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料及其制備方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料，包括石墨烯納米帶基體以及嵌入所述石墨烯納米帶中的球狀鈷鐵硒化物，所述鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料中石墨烯納米帶的質量占比為20-80％(更優選的為40-60％)，所述石墨烯納米帶的寬度為10-100nm(更優選的為40-80nm)，所述鈷鐵硒化物的粒徑為0.5-4μm(更優選的為1-2μm)。

本發明的鈷鐵硒化物材料相較石墨烯納米帶尺寸較大，石墨烯納米帶的二維帶狀結構可纏繞包覆鈷鐵硒化物，可視為三維球狀鈷鐵硒化物嵌入在石墨烯納米帶交織的網絡結構中，構成導電網絡。

與傳統石墨負極相比，鈷鐵硒化物的理論比容量高。本發明的鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料，是由比容量高的球狀鈷鐵硒化物限制于石墨烯納米帶中形成的三維多級復合負極材料，石墨烯納米帶可包裹鈷鐵硒化物限制其體積膨脹，并且石墨烯納米帶繼承了石墨烯的二維結構與優異的物理化學性能，同時，其特殊的結構使其成為具有獨特性質的一種新型碳材料。石墨烯納米帶由于其特殊的結構、優異的電學和機械性能、高的比表面積、豐富的邊緣活性位和性能結構的可調控性，在改善鈷鐵硒化物導電性的同時，也可提高鋰離子在充放電過程中的傳輸速率。因此，將球狀鈷鐵硒化物限制于石墨烯納米帶中形成的三維多級復合負極材料，可進一步提高材料的電子導電率，并減少鈷鐵硒化物在充放電循環過程中的引起的體積膨脹，結構完整性和穩定性好。

上述鈷鐵硒化物/石墨烯納米帶復合負極材料中石墨烯納米帶的質量分數過低，難以發揮石墨烯納米帶優良的導電性；石墨烯納米帶的質量分數過高，則會影響目標材料的比容量。上述鈷鐵硒化物的粒徑過大，在后續電池組裝的涂片的混料磨漿過程中可能會導致球體的粉碎；粒徑過小，使得材料的比表面積過大，首次充放電過程中SEI膜的形成過程會消耗較多的鋰離子，導致材料首圈庫倫效率低。