[发明专利]一种采用三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种采用三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法，采用一步高温碳热还原法制备得到金属/碳/石墨烯三元复合材料，以金属/碳/石墨烯三元复合材料作负极，石墨类材料作正极和金属盐电解液组装成双离子电池。本发明的制备方法简单，绿色环保，原材料简单易得，大电流下循环性能好，库伦效率高。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种采用三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法，且特别是涉及一种采用金属/碳/石墨烯三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量密度高，循环寿命长，对环境污染小以及无记忆效应等突出优点，在电子领域取得了巨大的成功。但是金属锂在地壳中储量较低且分布不均，使得锂离子电池的制作成本高，所以，急需开发性能优异且资源丰富、价格低廉的储能技术。其中，最近几年新兴的双离子电池就是其中之一。

双离子电池，因其具有较高的工作电压，优异的比能量密度和低的制作成本等优点，成为新一代高性能动力电池，有望突破新能源汽车，包括电动汽车(EV)，油电混合动力电动汽车(HEV)和插电式混合动力电动汽车(PHEV)发展的瓶颈。与锂离子电池只有Li⁺参与正负极之间的反应不同，双离子电池有两种不同的离子参与正负极之间的反应。充电时，电解液中金属盐（如LiPF₆，NaClO₄等）的阴离子移向正极，在正极发生嵌入或吸附反应，同时，金属盐的阳离子移向负极，在负极发生嵌入或吸附反应，相应地外界电流从负极流向正极；放电时，阴离子和阳离子分别从正极和负极脱出或解吸附，回到电解液中，相应地电流从正极经外界负载流向负极，是一种基于双离子同时的能量储存，故被命名为双离子电池。

目前，双离子电池中使用量最多的负极材料有两类，一类是金属基材料，如铝箔，锡箔等。其中充电时，其会与金属盐阳离子发生合金型嵌入反应，理论比容量高，但是在合金化和去合金化循环过程中金属会发生巨大的体积变化，会带来电极材料结构不稳定，粉化严重，失效和循环性能差等问题。另一类是纯碳基材料，如石墨、膨胀石墨、石墨烯和软碳等，金属阳离子会在这些碳材料中发生插入式嵌入机理或吸附型反应。碳材料具有良好的电子导电性，脱嵌金属离子时体积变化小，是一种理想的稳定载体，同时具有价格低廉和绿色环保等优点，但是，理论比容量比较低，倍率性能差。综上所述，寻找一种具有高理论比容量，高的放电中压，脱嵌金属离子时体积变化小等优点的复合材料作为双离子电池的负极材料是非常有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法，具体是一种采用金属/碳/石墨烯三元复合材料作负极的双离子电池及其制备方法，以解决上述现有的问题，得到具有高比能量密度，长循环寿命，优异倍率性能以及出色安全性能等优点的双离子电池。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种采用三元复合材料作负极的双离子电池，采用一步高温碳热还原法制备得到金属/碳/石墨烯三元复合材料，以金属/碳/石墨烯三元复合材料作负极，石墨类材料作正极和金属盐电解液组装成双离子电池。

本发明还保护一种采用三元复合材料作负极的双离子电池的制备方法，包括如下步骤：

（1）将金属盐、还原性有机酸和多种氮源溶解到氧化石墨烯的悬浮溶液中，进行脱水处理得到的前驱体，将所述的前驱体进行高温碳化处理，得到金属颗粒嵌入氮掺杂碳基质的金属/碳/石墨烯三元复合材料；

（2）将金属/碳/石墨烯三元复合材料负极，石墨类材料正极，金属盐电解液组装成双离子电池。