[发明专利]纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于微纳复合材料及其制备和应用领域，尤其涉及一种覆载改性中间相炭微球及其制备和在负极材料领域中的应用。

背景技术

中间相炭微球(MCMB)是锂离子电池负极材料中的重要用料。中间相炭微球是一种微米级且具有高度有序层面堆积结构材料的球形颗粒，具有放电平台平稳、放电容量高、堆积密度大、循环寿命好等优点，已大量商业化生产。金属氧化物是目前研究较多的一类非碳负极材料；它们往往具有远高于石墨的理论比容量，其中氧化铁为1005mAh/g。单相材料有各自的优势，但各自存在的缺点也制约了各自的发展。如中间相炭微球存在初期库伦效率偏低的缺点；而金属氧化物的缺点主要是容量衰减过快，即循环稳定性太差。纳米化这类单相材料能使其性能有所改善，但在制备和使用过程中同样容易团聚变成大的二次粒子，在嵌脱锂过程中的体积变化也很大，从而导致电极材料粉化脱落，因而改善循环性能的程度并不明显。

科技的不断发展对于电池性能的要求越来越高，因此，获得更高比容量且循环性能优异的负极材料是本领域技术人员在不断攻克的技术难题。该技术问题的解决对于小型电子产品、乃至大型产品(如电力汽车)的开发、突破都具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种循环使用稳定的前提下具有更高比容量的纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料，还相应提供该纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料的制备方法及应用，通过其在锂电池领域的应用，以解决目前锂离子电池负极材料的比容量相对较低等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料，该复合材料以中间相炭微球为载体，以纳米氧化铁为加强相，所述纳米氧化铁包覆在中间相炭微球的表面或者嵌入中间相炭微球内核一定深度，所述中间相炭微球与纳米氧化铁的质量比为1∶0.1～0.2。

上述的纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料中，优选的：所述复合材料在一定程度上保留了中间相炭微球表面的石墨化程度，且中间相炭微球通过其较大的比表面积与含氧官能团将所述纳米氧化铁覆载在其外表面。

上述的纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料中，优选的：所述复合材料为类球形的颗粒状，且平均粒度在15μm～20μm。

上述的纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料中，优选的：所述纳米氧化铁是通过纳米微粒原位合成方式覆载在所述中间相炭微球的颗粒表面，具体是将铁盐溶液浸润混合经过预处理后的中间相炭微球颗粒，然后在其表面或一定嵌入深度处原位合成纳米氧化铁。采用纳米微粒原位合成法制得纳米氧化铁覆载于中间相炭微球颗粒表面或一定程度的向内缺陷位置处。该纳米氧化铁优选是通过预先制备出Fe(OH)₃溶胶体系后再通过水热法制备生成。该优选的技术方案主要基于水热法原理，即铁的羟基配合物易转化为比较稳定的FeOOH，FeOOH脱水转化为更加稳定的Fe₂O₃；本发明的水热条件为高温高压，体系处于临界或超临界状态，反应活性提高，可加速反应进行。

本发明的上述产品方案主要基于以下思路：首先，铁氧化物容量高、来源广泛、成本低廉且对环境友好，中间相炭微球是一种高度有序的层面堆积结构材料，具有放电平台平稳，放电容量高、堆积密度大、循环寿命好等优点；通过利用材料复合技术，我们将铁氧化物与中间相炭微球进行有机结合，这有利于充分发挥各相材料的优点，克服单一相材料各自的缺陷，我们的研究成果表明，本发明的纳米氧化铁覆载中间相炭微球的复合材料具有容量高、循环能力好且环保安全等特点，有望成为新型锂离子电池用的负极材料。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将原料中间相炭微球与强碱(特别优选氢氧化钾)混合后置于800℃以上的高温下(特别优选820℃～840℃)进行化学活化，冷却后再进行酸洗、水洗、过滤，烘干备用；本步骤的化学活化机理如下(其中C即为本发明的中间相炭微球)，即反应生成的K或Na等单质渗入中间相炭微球，后水洗除去，从而生成了刻蚀位；考虑到选用NaOH等强碱需要升到的温度更高，而选用KOH不仅效果可以满足要求，而且能减少能耗；

4KOH+C→K₂CO₃+K₂O+2H₂

K₂CO₃+2C→2K+3CO

K₂O+C→2K+CO；