[发明专利]一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料及其制备方法，所述电极材料中碳包覆磷化铁颗粒是以梭形结构聚集在一起的，碳包覆磷化铁颗粒粒径为10‑80 nm,其中磷化铁的质量分数为50‑90%，所述梭形结构碳包覆磷化铁电极材料通过聚合、热处理法制备。本发明的电极材料用作锂/钠离子电池负极时，具有首次库伦效率高、比容量高、循环性能、倍率性能优良及长循环寿命等优点；其制备方法简单、成本低廉，易于实现工业规模化生产。

技术领域

本发明涉及离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种离子电池负极材料用梭形结构碳包覆磷化铁电极材料及其制备方法。

背景技术

由于人们对能源需求的急剧增加，大量消耗化石燃料不仅引发全球能源危机日益严重，而且带来的环境污染问题也越来越引起广泛的关注。最大限度的开发和利用太阳能、风能、地热能和潮汐能等清洁能源已势在必行，然而，这些能源具有间歇不连续等特点，所以需要开发大规模高性能储能装置将清洁能源存储和转化。目前，锂离子电池广泛应用于手机等可移动小型电子设备。随着电动汽车的快速普及和大规模电网储能的提出，开发具有高比容量、高倍率性能、安全可靠的新型电极材料是满足大规模储能需求的可行方案。另外，人们对锂元素的需求也在快速增长，使得原本有限的锂资源价格持续上涨，也引起了人们的担忧。由于钠元素具有与锂元素类似的物理化学性质，且在地壳中储量丰富，分布广泛，价格低廉，因而钠离子电池被看作是锂离子电池的潜在重要替代者之一并且在最近得到了人们的广泛关注。钠离子电池的性能主要由电极材料决定，故而寻找高性能钠离子电极材料是目前研究热点。

过渡金属磷化物磷化铁作为电极具有一些明显的优点，如高理论比容量、平坦的放电曲线并且成本低廉，在地壳中储量丰富等，故而被认为是一种潜在的重要离子电池电极材料并得到了人们的极大关注。

然而，当磷化铁用作锂离子电池电极材料时，也面临着其它金属氧化物、硫化物电极类似的问题，如导电性不好、循环过程中容量的衰减和很难令人满意的倍率性能。这种现象对于钠离子电池应用更加严重，主要是由于钠离子半径远大于锂离子半径，在钠离子电池中比容量衰减的问题只会更加明显。这一方面由于充放电过程中体积膨胀对电极材料的破坏。解决这一问题很重要的方法就是将材料颗粒大小减小至纳米尺寸或者与一些良好的导电材料如碳材料构筑复合材料。电极材料的纳米化可以减小锂/钠离子的扩散距离，而与导电材料的复合则可以增加材料的导电性，进而促进电子传输，同时可以起到缓解锂/钠离子嵌入过程中的体积膨胀效应，进而可以改善电池的电化学性能。构筑碳包覆多孔纳米结构复合材料，一般起到以下几个方面作用: (1) 增加电极材料的比表面积，从而增加电解液与活性物质的接触面积，提高钠离子的传输效率进而提高整个电池性能；(2) 形成多孔导电网络，提高电极材料导电性从而降低电荷转移电阻；(3)缓解锂/钠离子在电极材料中脱嵌过程中出现的体积膨胀效应。因此，碳包覆磷化铁电极材料作为锂/钠离子电池负极材料可展现出良好的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有锂/钠离子电池用电极材料存在的问题而提供的一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料及其制备方法，其材料具有比容量高、循环稳定性能好，制备方法简单、无污染、成本低等优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料，特点是：该材料以铁盐与有机配体为原料经聚合得到梭形结构的金属有机框架模板、对梭形结构的金属有机框架模板碳化、碳化后的梭形结构的金属有机框架模板与磷源经热处理而得；其中，铁盐与有机配体的摩尔比1︰1-5；碳包覆磷化铁颗粒，以梭形结构聚集在一起；碳与磷化铁的质量比为1︰3-9；碳包覆磷化铁颗粒粒径为10-80 nm；磷化铁的质量分数为50-90%。

所述铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁；有机配体为反丁烯二酸或对苯二甲酸；磷源为磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、次磷酸氢二钠或次磷酸氢二钾。

一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料的制备方法，该方法包括以下具体步骤：