[发明专利]一种锂离子电池氧化钼碳复合负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料和电化学领域，具体涉及一种高放电比容量的MoO₃-C锂离子电池复合负极材料及其制备方法。

技术背景

随着科学技术的发展，能源危机和环境污染的问题日益凸显，新型能源的探索已经成为当务之急。作为新能源的先驱——锂离子电池已经被广泛应用于便携式电子设备、航空航天、军事等领域。目前，笔记本手机等都趋向于便携化小型化，使得更高比容量的电池成为研究的热点。

商业上广泛应用的石墨类碳负极材料存在着一些弊端：碳电极的电位与金属锂的电位很接近（100 mV vs. Li⁺/Li），表面易析出金属锂形成枝晶，存在安全隐患；首次放电过程中与电解液反应生成SEI膜，首次库仑效率低；锂离子反复脱嵌过程中，材料结构受到破坏导致比容量衰减，降低了其循环使用寿命；最重要的是它的理论比容量很低，只有372 mAh/g。于是，新型负极材料已经成为当前关注的焦点。

目前研究的热点主要集中在Si、Sn、Sb、Ge、Pb、Bi 等合金材料。相对于碳材料，金属材料一般具有较高的比容量，同时与电解液有较好的相容性，但是在锂的脱嵌过程中通常会引起较大的体积膨胀，造成电机粉化失效，使电池循环性能较差。另外，金属材料和碳材料的复合负极也是热点之一，但是通常制备工艺复杂，成本较高。针对以上不足，本发明提出以MoO₃材料作为锂离子电池负极材料。

MoO₃有较高的理论比容量（1117 mAh/g），安全性和首次库仑效率高。除此之外，MoO₃具有十分稳定的一维层状结构，便于锂离子的嵌入和脱出。MoO₃作为锂离子电池负极材料，有很大的应用前景，但是它也存在一定缺点：它的电子电导和离子电导较差。目前主要提出下列方法来进行改善：

(1)引入高导电相，通常与碳复合。氧化钼的电子电导和离子电导较差，引入碳可以提高氧化钼的导电性。M.F. Hassan 等人合成MoO₃纳米线，之后与碳复合，合成MoO₃-C负极材料，在0.1 C的电流密度下充放电，比容量在前10次略有衰减，但是之后缓慢回升，到50次循环时达到1064 mAhg-1，循环稳定性优良（M.F. Hassan , Z.P. Guo , Z. Chen , H.K. Liu, Carbon-coated MoO3 nanobelts as anode materials for lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 195 (2010) 2372–2376）。Tao Tao 等人利用球磨将纳米氧化钼弥散到碳母体中，制备MoO3-C负极材料。当两者质量比1：1时，在0.2 C的电流密度下，120次循环时仍有700 mAhg-1（Tao Tao , Alexey M. Glushenkov , Chaofeng Zhang , MoO3 nanoparticles dispersed uniformly in carbon matrix: a high capacity composite anode for Li-ion batteries, J. Mater. Chem.,2011,21,9350）。

(2)制备纳米级颗粒，缩短锂离子扩散路径，提高材料的离子导电性。Se-Hee Lee 等人用热丝化学气相沉积法制备纳米MoO3颗粒，直径在3~50 nm之间。该负极材料充放电循环中几乎没有容量衰减，在C/2 的电流密度下，150次循环时仍有630 mAhg^-1（Se-Hee Lee , Rohit. Deshpande , Daniel Benhammou , Phil A.Parilla , A. Harv Mahan , Anne C. Dillon, Metal oxide nanoparticles for advanced energy applications, Thin Solid Films 517 (2009) 3591–3595）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒细小、粒径分布均匀、形貌规整，具有相对较高的比容量和首次库仑效率的MoO₃-C锂离子电池复合负极材料。