[发明专利]一种炭包覆金属氟化物核壳结构纳米材料、制备方法及其作为锂电池正极材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料领域,特别是一种锂离子二次电池用复合正极材料及其制备方法。 

背景技术

目前，商业化的正极材料是钴酸锂等材料。其比容量低，而且不适于快速充放电，是制约锂离子电池发展的瓶颈。因此，发展具有高容量、高倍率性能、低成本、长寿命、安全可靠的新一代正极材料以代替商业化的钴酸锂等正极材料十分紧迫。过渡金属氟化物(如FeF₃、FeF₂、NiF₂、CuF₂等)能与锂离子发生可逆的转化反应，具有高的理论比容量、环境友好以及成本低等优点，有望成为新一代锂离二次电池正极材料。 

过渡金属氟化物中金属离子与F离子之间具有较强的离子键性质，具有较高的键能，从而使锂离子与金属氟化物之间具有较高的电化学反应电位。然而，金属氟化物的较强的金属-F离子键导致其具有较低的电导率以及电化学反应过程中较高的结构不可逆性，影响其电化学活性，阻碍了其实际应用。目前，研究者多通过高能球磨的方法来合成炭/金属氟化物复合材料的方法来提高金属氟化物导电性、缓解其体积变化。Amatucci等人[Badway F,et al.J.Electrochem.Soc.,2003,150(9):A1209-A1218.]将FeF₃与炭材料(乙炔黑、活性炭或者膨胀石墨)进行高能球磨，制备出炭/FeF₃纳米复合材料。除了与炭材料复合外，Amatucci等人还将氟化铁与V₂O₅进行高能球磨得到了V₂O₅/FeF₃复合电极材料[Badway F,et al.J.Electrochem.Soc.,2003,150(10):A1318-A1327.]，其充放电性能与炭/氟化 铁的相近。此外，使用类似的方法，科学家们还制备了FeF₂/C、BiF₃/C、CuF₂/C、CuF₂/MoO₃、BiF₃/MoS₂等纳米复合电极材料[Plitz I,et al.J.ELctrochem.Soc.,2005,152(2):A307-A315；Badway F,et al.Chem.Mater.,2007,19(17):4129-4141；Bervas M,et al.Electrochem.Solid-Sated Lett.,2005,8(4):A179-A183.]。尽管高能球磨法操作简单，但是存在很大的局限性：(1)所制备的复合材料尺寸分布宽，难以控制材料的性能；(2)氟化物与导电材料(炭等)不能形成稳定的相界面，充放电过程中；氟化物与导电材料易于剥离。因此，如何进一步设计高性能的炭基金属氟化物电极材料仍是当前面临的技术问题。 

随着炭材料的发展，金属氟化物与新型炭材料(如纳米炭管[Kim S-W,et al.Adv.Mater.,2010,22,5260-5264.]、石墨烯[Zhao X,et al.Chem.Commun.,2012,48,9909-9911；Chu Q,et al.Electrochim.Acta,2013,111,80-85.]、有序介孔炭[Jung H,et al.J.Phys.Chem.C,2013,117,14939-14946.]等)的纳米复合材料也被合成。然而，这些纳米复合材料中金属氟化物多负载于纳米炭材料的表面，目前为止尚未有核壳型的炭包覆金属氟化物核壳纳米材料相关研究的报道。核壳型的炭包金属氟化物正极材料中炭壳层可以更有效的保护内部的金属氟化物，提高其电导率，从而可以更有效的提高金属氟化物的电化学性能。 

发明内容

为克服上述不足，提高金属氟化物的电导率以及电化学性能，本发明提供了与现有技术不同的方案，提供一种炭包覆金属氟化物核壳结构纳米材料及其制备方法,此材料不仅具有较高比容量而且具有良好的循环稳定性。 

为实现上述目的，本发明所要解决的技术问题之一是：一种炭包覆金属氟化物核壳结构纳米材料，其特征为由壳层和核层构成。 

所述的核层为金属氟化物，壳层为炭。