[发明专利]一种用于锂离子电池的纳米复合异质结构电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米复合材料及电化学技术领域，具体公开了一种用于锂离子电池的纳米复合异质结构电极材料及其制备方法。

背景技术

纳米尺度的过渡金属氧化物如氧化铁、氧化钴、氧化钼等，由于其较高的理论比容量（~ 1000 mAh g^-1）、无毒、成本低等特点，近十年来一直被人们作为先进的锂离子电池负极材料来研究，并期望把这种高效的电池技术带到实际应用中 [Whittingham, M. S., Chem. Rev. 2004, 104, 4271?4301]。然而，这些很有前景的负极材料由于固有的低电导率，导致其较差的倍率性能。特别是锂离子在嵌入和脱嵌过程中引起的活性物质较大的体积变化，导致电池的容量快速衰退。这些问题对电极材料的设计提出了巨大的挑战。近年来，一些研究者已经报道了各种令人鼓舞的电极材料，如异质的纳米结构材料 [Yang, Y., Fan, X. J., ACS Nano 2014, 8, 3939–3946]，四氧化三铁/碳（Fe₃O₄/C）摇铃形结构材料 [Zhao, Y., Li, J. X., ChemPlusChem 2012, 77, 748–751]和介孔碳包裹四氧化三铁纳米粒子（Fe₃O₄@C）材料 [Chen, Y., Song, B. H., Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 319–326]，这些材料用作锂离子电池负极材料显示出了较高的活性和稳定性。尽管这些材料的设计使得它们可以通过内部的空间缓冲活性材料体积的变化和产生的应力以及通过外部的碳结构传输电子以改善材料导电性，但是这些材料的初始库伦效率较低，电极材料的体积反复变化引起结构的破裂，因此它们离实际应用还相差甚远。简单地提供缓冲空间不足以维持材料结构的完整性，因为大比表面积的纳米级活性材料暴露在电解质中，其高的表面能很容易使材料的结构在初始的充放电过程中由于剧烈的电传输中断而崩溃瓦解。因此，传统的Fe₃O₄和Fe₃O₄/C摇铃结构纳米粒子电极经过多次充放电循环后，最终导致电极的失败。

除了通过合理地设计纳米材料的结构来优化锂离子电池性能，向电化学活性组分中引入非活性的金属化合物协同提高锂离子电池性能也是锂离子电池领域的研究热点。作为电化学非活性相，碳化铁由于其热稳定性，抗氧化和化学降解性，优秀的机械强度和能量转换过程中较好的催化活性受到人们很大的关注 [Giordano, C., Kraupner, A., J. Mater. Chem., 2011, 21, 16963–16967]。例如，Liu和他的同事合成了碳化铁嵌入氮掺杂的碳纳米复合材料，用作锂离子负极材料表现出高的可逆容量、优秀的倍率和循环稳定性能 [Zhao, X. Y., Xia, D., G. Electrochimica Acta 2014, 116, 292–299]。Tour和他的同事使用化学气相沉积法制备出了三氧化二铁/碳化铁-石墨烯（Fe₂O₃/Fe₃C- graphene）异质薄膜材料，其中Fe₃C相对电池测试中容量的增强和保持提供了很大作用 [Yang, Y., Fan, X. J., ACS Nano 2014, 8, 3939–3946]。Wen和合作者制备了核壳结构的Fe/Fe₃C-C纳米棒作为高效的电催化剂用于氧还原反应（ORR）[Wen, Z. H., Ci, S. Q., Adv. Mater. 2012, 24, 1399–1404]。然而，通过封装Fe (Fe_xO_y)/Fe₃C异质结构纳米粒子于具有间隙的中空纳米碳材料来提高锂离子电池性能还尚未被报道。因此，合理设计包含非活性成分Fe₃C的异质结构纳米粒子用作锂离子电池负极材料来提高电池倍率性能和循环寿命的是人们长期追求的一种理想途径。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池的纳米复合异质结构电极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：