[发明专利]一种碳包覆铁酸锌电极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于新型能源材料技术领域，具体涉及一种碳包覆铁酸锌电极材料 及其制备方法与应用。

背景技术

在过去的十几年里，作为可充电电池，锂离子电池具有电压平台高，能量 密度大、自放电小、循环性能好、重量轻和环境友好等优点而被广泛应用于各 种小型便携式电子设备，电动车和混合动力电动汽车领域。电极材料是决定锂 离子电池综合性能优劣的关键因素，目前商业化的石墨作为常见的锂离子电池 负极材料，具有可逆性好、容量高和放电平台低等特点，但实际比容量已接近 理论比容量372mAh/g，单纯的石墨已经不能满足高能量密度电池的需求；另一 方面，石墨的嵌锂电位平台接近金属锂的沉积电势，快速充电或者低温充电过 程中容易发生“析锂”现象从而引发安全隐患；此外，石墨材料的溶剂相容性 较差，在含碳酸丙烯脂等的低温电解液中容易发生剥离导致容量衰减。因此， 开发出具有高容量、长寿命、安全可靠的锂离子电池负极材料成为提高电池性 能的关键因素之一。

金属类氧化物储锂负极材料具有较高的理论容量，能够与锂形成多种形式 的合金，嵌锂电位均高于石墨负极材料的电极电势，在充电时难以引起表面锂 沉积现象,安全性差。作为锂离子电池负极材料，性能优异的软磁性材料铁酸锌 (ZnFe₂O₄)，表现出了巨大的商业价值，ZnFe₂O₄材料具有理论容量高(1486 mAh/g)、价格便宜、无毒等优点可作为替代石墨的电极材料成为研究的热点， 同时，具有有稳定的电位平台(0.8v左右)，不会产生析锂现象，从而大大提高 了电池的安全性。同时，在充放电过程中，铁酸锌结构稳定，使得该材料作为 负极材料具有良好的循环性能，这是开发高性能铁酸锌储锂电极材料的基础。

作为锂离子电池负极材料铁酸锌存在的缺点与不足是：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，大量的不可逆Li₂O以及死锂相物质生成使得活性锂离子被消耗，使得在 随后的脱锂反应过程中不能还原为有效的活性锂离子，从而降低了首次循环效 率，在实际的电池设计过程中不能有效与正极材料进行匹配等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种碳包覆 铁酸锌电极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的碳包覆铁酸锌电极材 料。

本发明的再一目的在于提供上述碳包覆铁酸锌电极材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种碳包覆铁酸锌电极材料的制备方法，包含如下步骤：

(1)将铁酸锌均匀分散在乙醇水溶液中；然后加入硅烷类偶联剂进行表面 处理；

(2)将步骤(1)中的反应体系加热到50℃～80℃，加入引发剂混匀；然 后滴加混合单体和分散剂进行原位接枝共聚反应，然后收集产物，洗涤，干燥；

(3)将步骤(2)中干燥后的产物在空气氛围中300～600℃煅烧3～6h； 得到碳包覆铁酸锌电极材料；

步骤(1)中所述的铁酸锌优选为纳米棒状铁酸锌；

步骤(1)中所述的铁酸锌的制备方法(共沉淀法)，优选包含如下步骤：

将酸根沉淀剂与分散剂混合，搅拌0.5～5小时；然后加入可溶性锌盐、二 价铁盐混合均匀，搅拌18～24h；洗涤、干燥，得到纳米棒状铁酸锌；所述的 锌盐为硫酸锌、氯化锌或硝酸锌；所述的二价铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁；

所述的可溶性锌盐和二价铁盐中锌离子和亚铁离子的摩尔比优选为1：2；

所述的分散剂为乙二醇、环己烷、十六烷基三甲基溴化铵和水的混合物；

所述的酸根沉淀剂为柠檬酸、草酸或乙酸；

所述的洗涤的方式优选为采用无水乙醇和去离子水洗涤；

所述的干燥的条件优选为50～80℃干燥5～10h；

步骤(1)中所述的乙醇水溶液中，乙醇和水的质量比优选为9:1；

步骤(1)中所述的分散均匀优选采用搅拌分散均匀，其中，搅拌速度优选 为200～400rpm，搅拌时间优选为10～30min，搅拌使铁酸锌充分混合分散均 匀，有利于与偶联剂进行接枝，分散的越均匀越细，就可以使越多的颗粒表面 发生接枝聚合，增大聚合包覆面积；