[发明专利]一种铁基氧化物锂离子电池负极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于能源新材料技术领域，具体涉及一种铁基氧化物锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人们对可持续能源的需求正在增加。但是由于现有的主要资源仍然以煤炭、石油、天然气等不可再生资源为主，同时，这些资源的不断使用和对环境的污染都将成为重要的社会问题，不能满足现代社会的清洁和可持续发展。因此，寻找可再生和环境友好的新能源是一个人们亟待解决的问题，锂离子电池被认为是最理想的绿色能源存储与转换装置新能源技术之一。因为它的长寿命、高能量密度、没有记忆效应，锂离子电池已广泛被应用于便携式电子设备、通讯设备以及电动汽车市场之中。

石墨是目前常用的商业化锂离子电池负极材料，因为它有良好的循环电化学性能。然而，石墨的理论容量相对较低，仅为372mAhg^-1。除此之外，它的低电位放电特征容易产生析锂现象，则容易析出的单质金属锂，当遇到短路过程时候容易引起起火爆炸，从而将造成严重的安全问题。然而，Fe₃O₄作为一种丰富且廉价的铁基氧化物电极材料，不仅具有较高的嵌锂比容量(理论容量928mAh/g)，而且还具有较高的电化学充放电电位提高其安全性能，但是Fe₃O₄电极材料在循环过程中具有较大的膨胀效应从而表现出较差的首次效率和循环稳定性能，同时，该材料导电性较差还将影响其充放电倍率特性。因此，该铁基氧化物电极材料的改性研究和产业化成为目前的前言开发材料，也是一种非常具有市场价值的潜在锂离子电池负极材料。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要首要目的在于一种铁基氧化物锂离子电池负极材料的制备方法，该方法工艺简单、操作简便、成本低廉。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的铁基氧化物锂离子电池负极材料，该负极材料由微孔聚合物包覆的Fe₃O₄纳米颗粒电极材料以及人造石墨与天然石墨有机复合的新型石墨负载电极材料复合组装制备得到，能够很好地改善电池的电极首次效率、循环性能和倍率性能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种铁基氧化物锂离子电池负极材料的制备方法，包含如下步骤：

(1)原位聚合包覆

在N₂保护和60～80℃搅拌条件下，将聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇、水和Fe₃O₄纳米颗粒混匀，然后滴加混合聚合单体，滴加完成后反应至溶液变浑浊；然后将体系加热温度提高2～5℃，继续聚合反应，得到悬浊液；去除溶剂，得到聚合物包覆的Fe₃O₄纳米微球；将聚合物包覆的Fe₃O₄纳米微球在N₂保护下烧结，得到有机裂解微孔碳包覆的Fe₃O₄纳米颗粒微球；

(2)天然石墨/人造复合石墨制备

将天然石墨、石油焦和沥青混合后，在N₂保护下高温加压搅拌反应以实现均衡混合与固相包覆；然后将产物高温石墨化，得到天然石墨为核/人造石墨为壳的核壳结构复合石墨；

(3)将步骤(2)制得的核壳结构复合石墨与步骤(1)制得的有机裂解微孔碳包覆的Fe₃O₄纳米颗粒微球进行混合，得到铁基氧化物锂离子电池负极材料；

步骤(1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的作用为分散剂；聚乙烯吡咯烷酮对Fe₃O₄纳米颗粒具有较好的分散作用；所述的聚乙烯吡咯烷酮与Fe₃O₄纳米颗粒的质量比优选为6：50；

步骤(1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮优选为PVP-K30；

步骤(1)中所述的乙二醇和水作为溶剂体系，其质量比优选为3:1；

步骤(1)中所述的60～80℃搅拌的转速优选为300～800rpm；

步骤(1)中所述的混匀的时间优选5～8h；

步骤(1)中所述的混合聚合单体为过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、丙烯腈和苯乙烯的混合物；

所述的过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、丙烯腈和苯乙烯的质量比为2:2:3:3；

步骤(1)中所述的滴加完成后反应的时间3～5h；