[发明专利]嵌入式纳米金属负载型碳纳米片锂离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，具体涉及一种嵌入式纳米金属负载型碳纳米片锂离子电池负极材料的制备方法，该方法制得的均匀负载有嵌入型金属纳米颗粒的高度石墨化碳纳米片，及其作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

随着现代社会的高速发展，能源日益成为制约社会发展的重要因素之一。锂离子电池作为一种新型的可充电电源，因具有能量密度大、自放电小、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应和无环境污染等优良特性，近年来得到快速发展，已经广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等各类便携电子设备中，被认为是目前最有效的能源存储方式之一。

但是，商业化的锂离子电池性能的进一步提高仍然有不少问题亟待解决，如广泛使用的石墨类碳负极材料，虽然具有廉价、环境友好、高的结构稳定性和本征电导率等优点，但其理论比容量低，仅为372mAh g^-1(ACS nano，2013，7，4459)，这就限制了其在电动汽车、混合动力汽车、军事等需要高能量密度和功率密度输出的领域中的应用。因此，寻找能在低电势下保持高容量、适合高速充放电的性能优良的石墨改性材料或替代材料是当前锂离子电池负极材料研究领域的热点问题之一。

比较热门的潜在石墨替代材料主要有硅基、锡基和过渡金属氧化物等新型非碳材料，虽然它们的理论比容量要比石墨大得多，其中理论比容量最大的硅基材料，比容量值可达4200mAh g^-1(J.Mater.Chem.，2011，21，9938)，但是这些材料在嵌脱锂的过程中存在严重的体积效应，并且电子电导率也较低等明显的缺陷，从而导致循环稳定性差，有较大的不可逆容量以及安全隐患等问题，还不能达到规模化工业应用的要求。因此，对碳基材料的改性不失为目前提高锂离子电池负极材料综合性能的比较有效的方法。

碳基材料改性的新方法有：纳米化、氧化处理、表面包覆改性和掺杂改性等。已报道的纳米化的碳材料包括零维的碳纳米球、空心碳团簇；一维的碳纳米管、碳纳米纤维；二维的石墨烯、碳纳米片；三维的介孔、多孔纳米结构碳材料等。其中二维片层结构的碳纳米材料与其他零维、一维结构的碳材料相比，具有较大的比表面积，较多的活性位点、较高的石墨化程度，而且可以形成有利于锂离子传输的空间结构，是锂离子电池碳负极材料的理想选择之一，近年来备受人们的青睐(JACS，2013，135，1524)。石墨烯是二维碳材料的典型代表，但是石墨烯存在合成条件苛刻、合成过程复杂等问题。相比较而言，碳纳米片的合成更廉价，更易于宏量规模工业生产。最近的研究表明，在纳米碳片中负载金属镍纳米粒子，将它直接作为锂离子电池的负极材料时，可以大幅度提高碳基材料的比容量和循环稳定性。仅有的一例报道(J.Phys.Chem.C 2012，116，23974)中，制备的碳纳米片偏厚，负载的镍纳米粒子尺寸偏大，也不够均匀，这些结构缺陷导致锂电性能不太好，尤其是100圈以后，容量下降得很多，仅为635mAh g^-1，是30圈时的60％，并且还有继续下降的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式纳米金属负载型碳纳米片锂离子电池负极材料的制备方法，以及该方法制得的碳纳米片及其应用，通过碳基材料的改性方法合成高性能碳纳米片复合材料，以改进碳基负极材料的结构和性能，提高锂电池的比容量和稳定性。

本发明采用如下技术方案：

一种嵌入式纳米金属负载型碳纳米片锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，以糖为碳源，过渡金属镍、铁或钴的硝酸盐为金属源，惰性盐为模板和分散剂，将过渡金属硝酸盐、碳源和惰性盐混合，研磨、溶解再结晶后，形成的固体混合物膜在保护性气氛下，于密闭空间中在600-800℃的温度范围内热解处理，冷却、洗涤和干燥后，得到所述的锂离子电池负极材料。

优选地，所述的硝酸盐、糖碳源和惰性盐的质量比为(0.6～1.0)∶(2.0～3.0)∶(5～10)。

所述的方法具体包括以下步骤：

1)前驱体制备：称取(0.6～1.0)g镍、铁或钴的硝酸盐、(2.0～3.0)g碳源糖和(5～10)g惰性盐，放入研钵中研磨(10～30)min，然后加入(5～10)mL蒸馏水，搅拌(5～15)min使硝酸盐和碳源溶解，再将得到的混合物放入烘箱中，40～80℃烘干后放入管式炉；

2)前驱体热解处理：在保护性气氛下，以(5～10)℃.min^-1程序升温至600-800℃进行热解处理，在该温度下保持3h以上，然后冷却至室温；