[发明专利]一种锂离子电池负极材料铁酸锌及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料制备领域，特别涉及一种锂离子电池负极材料铁酸锌及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、自放电小、循环寿命长、重量轻和绿色环保等优点而被广泛用作各种便携式电子设备和电动汽车的电源。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，而对于负极材料来说，目前商业化的碳负极材料已接近达到其理论极限容量（372mAh/g），严重限制了高容量型锂离子电池的进一步发展。另外，碳负极电位与金属锂的电位十分接近，过充时会引起锂的沉积，严重时甚至会引起起火爆炸。因此，碳负极材料的这些缺点以及对高容量高安全性锂离子电池的需求激发起人们对新型金属类储锂负极材料的研究。

金属类储锂负极材料有硅基、锡基、铝基、锑基等，但都由于金属类负极材料在嵌脱锂过程中表现出巨大的体积膨胀效应，使得首次效率和循环稳定性能都较差，至今仍未实现商业化。

性能优异的软磁性材料铁酸锌（ZnFe₂O₄），作为锂离子电池负极材料，具有巨大应用潜力价值，ZnFe₂O₄锂离子电池负极材料兼顾了金属锌的高容量和铁酸根的高稳定性能，其理论质量比容量高达1486mAh/g，拥有稳定的嵌锂电位平台（0.8v左右），不会产生析锂现象，大大提高了电池的安全性，充放电过程中结构稳定，使得该材料作为负极材料具有良好的循环性能，这是开发高性能锌基铁酸盐（ZnMeFe₂O₄）储锂材料的基础。同时该材料具有无毒、无污染、安全性能高，原材料来源广泛等优点。

尽管铁酸锌作为锂电负极材料有诸多的优点，但在实际的应用过程中也存在着一些明显的缺点：一是电导率低，导致高倍率充放电性能差，实际比容量低；二是首次效率低，在首次嵌锂反应过程中，随着分步式锂离子的嵌入将逐渐产生大量的不可逆Li₂O物质，且在首次反应过程中电极本身还与电解液的接触将反应生成SEI膜层，不可逆容量损失增大。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种锂离子电池负极材料铁酸锌的制备方法。

本发明的再一目的在于提供由上述制备方法得到的首次充放电效率高、比容量高以及循环性能好的锂离子电池负极材料铁酸锌。

本发明的另一目的在于提供上述锂离子电池负极材料铁酸锌的应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种锂离子电池负极材料铁酸锌的制备方法，通过以下具体步骤制备：

（1）将锌盐、铁盐溶于分散剂后得到分散液，其中，分散液中锌盐的摩尔浓度为0.01～0.16mol/L，铁盐的摩尔浓度为0.02～0.32mol/L；

（2）将保护剂加入到步骤（1）所得的分散液中，搅拌0.5～5h后得到混合溶液，其中，保护剂加入的摩尔量不小于分散液中锌离子和铁离子摩尔量之和；所述的保护剂加入到分散液后的摩尔浓度优选为0.07～2.50mol/L；

（3）将步骤（2）中得到的混合溶液倒入高压密封罐中，在170℃～200℃下加热12～48h，将反应产物离心获得黑色沉淀，将黑色沉淀洗涤、干燥后得到锂离子电池负极材料铁酸锌；

步骤（1）中，所述的锌盐为可溶性的锌盐，优选为氯化锌、硝酸锌、醋酸锌、硫酸锌中的一种或至少两种；

步骤（1）中，所述的铁盐为三价的铁盐，优选为氯化铁、硝酸铁、醋酸铁、硫酸铁中的一种或至少两种；

步骤（1）中，所述的分散液中锌离子与铁离子的摩尔比优选为1：2；

步骤（1）中，所述的分散剂为乙二醇与二乙二醇的混合溶液或乙二醇，其中，所述的混合溶液中乙二醇与二乙二醇优选按体积比为1：1～19配比；

步骤（2）中，所述的保护剂为醋酸盐或者铵盐中的一种；所述的醋酸盐优选为醋酸氨、醋酸钾、醋酸钠中的一种或者至少两种；所述的铵盐优选为尿素；

步骤（2）中，所述的搅拌的速度优选为100～1000转/分钟；

步骤（3）中，所述的离心速度为1000～6000r/min；

步骤（3）中，所述的洗涤为用无水乙醇和去离子水交替着冲洗3～6遍；

步骤（3）中，所述的干燥为在50～100℃下干燥5～24h；

一种锂离子电池负极材料铁酸锌由上述制备方法制备得到。