[发明专利]一步法合成空心球结构Fe3O4/C锂离子电池负极材料

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池用负极材料技术，特别是空心球结构铁基复合氧化物负极材料Fe₃O₄/C及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有电位高、比能量大、 循环寿命长、放电性能稳定、安全性好、工作温度范围宽及绿色环保等优势，被广泛应用在便携式电子设备、电动工具、空间技术以及国防工业等领域。现在广泛使用的负极材料是石墨化碳材料，其多次充放电循环性能优异，但其储锂容量低于石墨的理论比容量372mAh/g，难以满足新一代大容量锂离子电池的需求。

作为锂离子电池负极材料的纳米级过渡金属氧化物（M_xO_y，M = Mn，Fe，Co， Ni， Cu ，Zn……）由于具有较高的理论比容量（500 ~ 1000 mAh/g），近年来引起了广泛的关注。这些金属氧化物在充放电过程中与金属锂发生可逆的反应：M_xO_y + 2ye^- + 2yLi⁺ = xM⁰ + yLi₂O，反应形成的金属散布在无定形非晶态的Li₂O中，反应高度可逆，在电池的电化学窗口内金属氧化物稳定存在，因此可以提供高的可逆容量和稳定的比容量。目前基于铁的复合金属氧化物AFe₂O₄ (A = Mn，Fe，Co， Ni，Cu ，Zn)，作为锂离子电池负极材料相继被提出；其中Fe₃O₄由于理论比容量高（理论比容量924 mAh/g）、成本低廉、环境友好而备受关注。Fe₃O₄材料本身的电导率偏低及循环过程中易发生凝聚及体积膨胀现象，导致该材料的循环性能及倍率性能均较差，限制了该材料的实际使用。材料的制备方法及形貌对材料的性能有着很大的影响，因此发展新颖合成方法并研究合成方法对材料的相关性能的影响很有必要。基于以上事实以及目前对具有应用前景的Fe₃O₄材料用做锂离子负极材料的相关报道不多，本专利公开一种合成亚微米级空心球状Fe₃O₄/C复合材料的新型制备方法及研究其在锂离子电池中的应用。

本发明采用简单的溶剂热或水热法直接合成了表面碳包覆的空心球状Fe₃O₄/C复合材料，特殊的空心球结构有利于Li⁺的可逆脱嵌及有效缓冲充放电过程中产生的体积膨胀；表面包覆的碳可以增强了该材料的导电性并在一定程度上改善其循环性能。电化学测试发现此材料具有优异的电化学性能，其首周放电比容量高达1157mAh/g，循环65次以后放电比容量仍高达900mAh/g。该电池材料比容量高，循环性能及倍率性能均较好，是理想的高能量密度锂离子电池用负极材料。本发明工艺简单，操作方便，对实验环境无特殊要求，无污染适于扩大再生产。

发明内容

本发明的目的是公开一种高比容量、优异倍率性能、价格低廉、环境友好、结构性能稳定及安全性能好的空心球结构铁基复合氧化物Fe₃O₄/C负极材料。

本发明的另一个目的是提供所述的空心球结构铁基复合氧化物Fe₃O₄/C负极材料的制备方法。

实现上述目的采用的方法是水热或者溶剂热法，此方法制备的Fe₃O₄/C复合材料其首周放电比容量高达1157mAh/g，循环65次以后仍高达900mAh/g，显示了优异的循环稳定性。

本发明的制备工艺主要步骤如下：

步骤1、将铁盐、矿化剂、表面活性剂、添加剂及溶剂混合均匀，其中铁盐：矿化剂的摩尔比为1:5 到1:20；

步骤2、将步骤1所得混合物在30-50 ^oC恒温水浴下搅拌0.5-1小时，形成均一溶液；

步骤3、将步骤2所得的溶液转移至50mL聚四氟乙烯的反应釜中，以1 ~ 10 ^oC/min的速率升温至180-220^oC，并在此温度下反应12到96小时；