[发明专利]一种锂离子电池用氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料及其制备方法，是在纳米梭形三氧化二铁的外表面包覆二氧化硅层后作为前驱体，再在二氧化硅层外表面包覆一层导电聚吡咯，最后经退火使聚吡咯碳化、经刻蚀去除二氧化硅夹层，即获得带有夹层空隙结构的氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料。本发明提供的锂离子电池复合负极材料可在包括室温在内的较大温度范围内保持高的循环容量、优异的循环稳定性和高倍率(大电流密度充放电)性能，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种可充放电锂离子电池负极材料及其制备方法，属于电化学电源领域。

背景技术

面对当前日益紧迫的能源与环境问题，发展高效稳定的锂二次电池成为当务之急。锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、环境友好等特点，广泛应用于便携式电子产品以及动力或储能电池等领域。目前,商用锂离子电池石墨负极材料比容量较低、倍率性能差,且存在较大的安全隐患，因此开发新型的负极材料成为目前该研究领域的热点。近年来，随着锂离子电池研究的日益深入，人们发现，过渡金属氧化物(三氧化二铁)具有理论比容量高、含量丰富、无污染等优势，可作为锂二次电池的负极材料。然而，三氧化二铁作为锂电负极材料凸显优势的同时，也存在一些缺点：1)体相三氧化二铁导电性差，不利于电子的传输；2)充放电过程中，体相三氧化二铁易粉化团聚，导致电池循环性能急剧下降。

因此，改善三氧化二铁作为锂离子电池负极材料性能的方法亟待发掘。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种锂离子电池用氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料及其制备方法，旨在提高其导电性、避免其团聚现象，以提高材料的储锂性能。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明公开了一种锂离子电池用氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料，其是在纳米梭形三氧化二铁的外表面包覆二氧化硅层后作为前驱体，再在二氧化硅层外表面包覆一层导电聚吡咯，最后经退火使聚吡咯碳化、经刻蚀去除二氧化硅夹层，即获得带有夹层空隙结构的氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料。

优选的，所述纳米梭形三氧化二铁的长轴长100～3000nm、短轴长50～1800nm，夹层空隙结构厚5～30nm，氮掺杂碳层为厚20～35nm的无定型石墨；在所述氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料中氮掺杂碳的质量百分含量为34％～45％。

上述锂离子电池用氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料的制备方法，包括如下步骤：

A、通过溶剂热反应合成纳米梭形三氧化二铁；

B、在碱性条件下，通过溶胶-凝胶法在所述纳米梭形三氧化二铁的外表面包覆二氧化硅层，获得梭形前驱体Fe₂O₃@SiO₂；

C、以高分子表面活性剂修饰所述梭形前驱体Fe₂O₃@SiO₂，然后再加入吡咯单体和引发剂进行反应，使修饰后梭形前驱体Fe₂O₃@SiO₂外表面包覆一层导电聚吡咯，获得Fe₂O₃@SiO₂@Ppy；

D、在惰性气体氛围下对所述Fe₂O₃@SiO₂@Ppy进行退火处理，使聚吡咯碳化，获得Fe₂O₃@SiO₂@C；

E、将所述Fe₂O₃@SiO₂@C放入碱性溶液中进行刻蚀，以去除SiO₂，即获得带有夹层空隙结构的氮掺杂碳包覆三氧化二铁负极材料Fe₂O₃@C。