[发明专利]一种多级结构的球形N掺杂C包覆金属氧化物负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种多级结构的球形N掺杂C包覆金属氧化物负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。该方法具体步骤是：将N‑甲基吡咯烷酮、聚偏氟乙烯和盐酸胍混合搅拌至透明凝胶状，干燥除去溶剂，在氩气中煅烧得到N掺杂C；将钼酸钠、硝酸镍、氟化铵和尿素溶解于醇溶液，搅拌至均相溶液，水热反应；然后将N‑C与其混合、球磨后煅烧得NiO/NiMoO₄@N‑C材料；将其放入蒸馏水中，超声后加入十二烷基硫酸钠；将吡咯和盐酸加入其中，搅拌后加入引发剂，经离心、洗涤、干燥后得到。本发明合成的负极材料颗粒均匀一致、分散性好、结晶度高，具有稳定的多级复合结构，因而其具有可观的宽电位窗口可逆容量、优异的倍率性能和稳定的循环寿命。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种多级结构的球形N掺杂C包覆金属氧化物负极材料的制备方法。

背景技术：

锂离子电池因为其使用寿命长、无记忆效应、能量密度高、低污染、输出电压高等优点被广泛用于工业生产、交通运输、社会生活等领域。在锂离子电池中，目前市场中消费类产业化锂电池产品负极材料均釆用石墨类碳基材料。但是，碳负极材料充放电平台较低接近锂金属单质还原电位，在电池使用过程中，随着不断的充放电，锂离子易在碳负极上发生沉积生成针状锂枝晶，进而剌破隔膜导致电池内部短路而造成安全事故或潜在危险。因此，寻找安全稳定的负极材料是当今商用储能锂离子电池行业急需攻克的难题之一。钛基材料由于具有高充放电循环稳定性和高安全性而备受关注，因此钛基材料是很有研究前景的负极候选材料。在所有钛基负极材料中，目前研究比较热门主要是Li₄Ti₅O₁₂。对Li₄Ti₅O₁₂而言，最大的不足是其电子电导和离子电导较低，从而在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差。因此，很有必要开发新型的负极材料。2000年，J.M.Tarascon课题组最先在Nature上报导了锂离子电池3d过渡金属氧化物负极材料，随后，他们针对这类材料与锂反应的机理做了大量的研究工作。这类氧化物能提供高达700mAh·g^-1以上的可逆容量，但它们的储锂机理不同于传统碳材料的原子层间插入机理，也不同于锡基、硅基材料的形成合金机理，因为它们的结构中并没有可供锂离子可逆地插入并脱出的空隙，而且Mn、Fe、Co、Ni和Cu等金属对锂也没有活性,不能与锂发生合金化反应。这些3d过渡金属氧化物之所以能够储锂，是基于如下可逆反应：

M_xO_y+2yLi→xM+yLi₂O

在这些3d过渡金属氧化物中，NiO具有理论容量高、价格低廉、结构稳定、容易制备等优点。但在首次放电过程中，NiO颗粒表面先与电解液发生反应，生成SEI膜。然后NiO颗粒本身与Li发生反应，锂离子进入NiO的晶格之中，导致很大的晶格畸变，随着放电的深入，由晶格畸变带来的体积膨胀加剧，以致颗粒在深度放电时被分解成高度分散的10nm以下的金属Ni颗粒和非晶态的Li₂O。随后的充电过程中，Li₂O分解，同时纳米Ni被氧化成NiO。NiO的循环性能不佳。一是因为是NiO半导体，导电性不好。二是因为NiO在循环过程中颗粒会发生粉化和团聚，导致材料失去活性。因此，3d过渡金属氧化物负极材料要获得实际应用，就必须对其进行改性，首先必须减少其首次不可逆容量损失，其次必须进一步提高其循环性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种多级结构的球形N掺杂C包覆金属氧化物负极材料的制备方法，以期原料来源广泛，操作简便、可控性好、重现性高，所得到的材料颗粒较小、粒径分布均匀、结晶度高，从而在降低材料制备成本的同时，提高材料的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多级结构的球形N掺杂C包覆金属氧化物负极材料的制备方法，包括以下步骤：