[发明专利]一种梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合负极材料及其制备方法与应用，该纳米复合负极材料为梭状结构，由碳骨架复合二级铁酸镍纳米颗粒构成，其中铁酸镍含量为该纳米复合负极材料质量的60‑90%；制备方法为：运用有机金属框架富马酸作为链接剂和碳源，与金属盐混合进行水热反应，离心洗涤后干燥获得前躯体，再经过退火反应得到梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合负极材料；本发明制备的梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合负极材料结构稳定，导电性能良好，作为锂离子电池负极材料具有优异的循环稳定性和倍率性能，且制备方法操作简单，控制方便，成本低廉，环境友好，能够适用工业化规模生产实现在锂离子电池中的应用。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着经济和科技的快速发展，能源枯竭和环境污染成为人类进入2l世纪必须面对的两个严峻问题。风能、太阳能等环保清洁可再生能源的开发因受到气候、地域等条件的影响，需要相应的储能设备将这些新能源转化为能够连续和稳定输出的能源形态；新能源电动车的发展也同样需要高性能的储能设备来提供动力。因此开发新型储能装置，越来越受到人们的重视，研制具有高电压、长循环寿命、优异倍率性能、绿色环保、安全可靠等优点的新型二次电池成为当前最重要的研究内容之一。

新材料和新技术的进步，使高容量二次电池(如锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池、铅酸蓄电池等)获得了快速发展，其中锂离子电池的高开路电压、大能量密度、长使用寿命、无记忆效应、无污染、小自放电率以及可快速充放电等优点，使其被逐渐发展为各类便携式电子产品、新型电动汽车的理想储能装置之一。新型电子产品及电动汽车等对移动储能装置的能量密度和循环性能提出了越来越高的要求，促使锂离子电池向着大容量、高能量、低成本的方向发展，开发和研究新型高性能电池电极材料及生产技术不仅能够满足社会发展的日益需求，更具有重要的战略意义。

20世纪80年代末，日本索尼(Sony)公司采用锂与过渡金属形成的复合氧化物(如LiCoO₂)作正极材料，以具有石墨层状结构的炭材料替代之前的金属锂作负极材料，这样得到的充电电池循环性能良好、开路电压(3.6 V)高、能量密度大并且价格低。1990年2月，日本索尼公司正式把这种新型锂二次电池(锂离子电池)推向市场。随着电子技术的不断发展，各种新兴电子产品(如笔记本电脑、移动电话和便携式摄像机等)快速推广普及，对高性能锂离子电池提出了越来越高的要求，推动了锂离子电池技术的飞速发展。进入二十一世纪，随着人们的环保意识日益增强，作为新能源汽车的核心动力，锂离子电池未来必将得到空前的发展，目前世界各国已形成了研究开发高性能锂离子电池及其关键材料的新热潮。

作为储锂的主体、锂离子电池性能重要依赖部分，商业化的石墨负极材料只有372mAh g^-1的这样一个比较低的理论比容量，远不能达到未来发展要求，因此寻求具有纳米结构的高性能电极材料依然是当前的研究主体。近期具有更高理论容量的纳米结构铁基氧化物已被开发作为有潜力的锂电池负极材料，但此类材料在电池的充放电循环过程会存在快速的容量衰减问题。属于铁基氧化物中一类的铁酸镍虽展现了好的电化学性能和高的理论容量（914 mAh g^-1）；但在铁酸镍的适用性上仍存在一些关键性的限制因素，如块状材料中锂离子的扩散速率低、导电性低以及锂离子脱嵌过程中的体积膨胀收缩大。而现今越来越多的证据表明纳米结构的材料相对于其他同类材料具有更高的电化学性能，因此纳米材料的设计和制备策略是进一步提升铁酸镍作为锂电池负极材料的电化学性能的至关重要一步。另外，很多文献报道揭示了碳基质材料通常可被用作抑制体积变化的弹性缓冲层和来增强导电性的导电添加剂。因此设计结合碳材料的特殊结构纳米复合材料是这里采用的改善铁酸镍性能的主要办法。

本发明利用有机金属框架法结合水热反应过程制备出了梭状结构铁酸镍/碳锂离子电池纳米复合材料，截至目前为止，还没有相关的合成方法报道，也没有利用相关结构复合材料制作为锂离子电池负极材料的报道。

发明内容