[发明专利]碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子二次电池电极材料领域。

背景技术

锂离子二次电池具有具有电压高、比能量高、工作温度范围宽、自放电率低、无记忆效应、无环境污染等特点，与镍镉和镍氢电池相比循环寿命长、安全性能好。因此目前锂离子电池已部分替代其他电源，应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、照相机等便携式设备中，未来还将在电动汽车、卫星及航天等军事领域得到广泛的应用。

目前工业使用的碳负极材料（天然石墨、人造石墨）其理论容量为372 mAh g^-1，而新型负极材料中过渡金属氧化物的理论容量范围在500-1000 mAh g^-1，远高于碳负极材料的理论容量而成为人们的研究热点。在过渡金属氧化物中四氧化三铁（Fe₃O₄）不仅具有高的理论容量（924 mAh g^-1），还具有安全电压高（0.9 V）、导电性高、成本低、自然资源丰富、无毒等优势。但在插/脱锂过程中活性物质较大的体积变化以及由于大量团聚而导致的循环性能差，限制了Fe₃O₄在锂离子电池方面的应用。

为了提高Fe₃O₄的电化学性能，人们采用了很多方法对其进行改性，例如制备纳米化的Fe₃O₄、碳包覆的纳米Fe₃O₄以及纳米级的Fe₃O₄/C复合材料等。在锂离子充放电过程中，纳米材料由于具有较大的比表面积、较短的扩散路径以及较快的扩散速率，可以吸收和储存大量的锂离子，有利于提高其电化学性能；碳包覆层能够阻止活性物质在电池充放电过程中发生较大的体积变化，以及避免活性物质的团聚；碳基体还具有良好的导电性、锂渗透率高，以及电化学性能稳定等特点。

目前，碳包覆Fe₃O₄纳米复合材料的制备方法主要有水热法、热分解法等。与传统的水热法相比，热解法成本低，制备过程简单，易于实现工业化生产。热解法是指将金属氧化物源与碳源充分混合后，在惰性气氛中热解炭化，经后续处理得到碳基体包覆的纳米金属氧化物颗粒材料。Taegyun Yoon等（Journal of Materials Chemistry, 21(2011) 17325）报道了先采用硅模板法，将间苯二酚和甲醛混合的凝胶烘干后，800℃煅烧制备出泡沫碳，再将泡沫碳和铁盐充分混合后在惰性气体的保护下低温煅烧形成Fe₃O₄/泡沫碳的复合材料。Yudai Huang等（Electrochimica Acta, 56(2011) 9233-9239）先利用化学沉淀法制备出Fe₂O₃纳米颗粒，然后将Fe₂O₃纳米颗粒/酚醛树脂的混合前驱体在惰性气体的保护下450℃煅烧2h，得到核壳结构的碳包覆Fe₃O₄纳米颗粒。

综合以上文献发现，上述热解方法中都是采用多步法，即首先制备Fe₂O₃/Fe₃O₄纳米颗粒或者碳的前躯体，再将铁源与碳源混合后的前躯体煅烧制得碳包覆Fe₃O₄复合材料，步骤复杂，耗时费力；且所获得的Fe₃O₄纳米颗粒粒径均一性较差，产量仍较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料及其制备方法。该锂离子电池负极材料在保持高比容量的同时提高其循环稳定性，其制备方法过程简单。

本发明的技术方案通过以下步骤实现，一种碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料，其特征在于，该锂离子电池负极材料为具有核壳结构的碳包覆Fe₃O₄复合材料，其粒径为1~100nm之间，碳包覆层厚度为2.5nm~10nm，其质量含量为40~80%，核Fe₃O₄ 的质量含量为20%~60%。

上述结构的碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：