[发明专利]一种纳米FeNbO4

说明书

本发明涉及一种纳米FeNbO₄/石墨烯复合材料及其制备和应用，属于新能源技术领域。一种纳米FeNbO₄/石墨烯e复合材料的制备方法，是将C₁₀H₅O₂₀Nb、Fe(NO₃)₃·9H₂O和石墨烯于反应釜进行水热反应后所得颗粒进行焙烧，其中，水热反应条件为：180～240℃下保温20～24h，得颗粒；焙烧条件为：将水热反应所得颗粒在氩气气氛下，以3～5℃/min的速度升温至950～1000℃并保温6～10h；以2～3℃/min的速度降至室温，得纳米FeNbO₄/石墨烯复合材料。所得纳米FeNbO₄/石墨烯复合材料的电化学性能较水热法合成的纳米FeNbO₄以及固相烧结法合成的微米FeNbO₄均有所提高。

技术领域

本发明涉及一种纳米FeNbO₄/石墨烯复合材料及其制备和应用，属于新能源技术领域。

背景技术

随着石油、天然气等不可再生资源的日益枯竭、人们对环境的日益重视以及可再生性强的电能的生产日趋高效，作为储备电能的锂离子电池正从便携式用电设备进一步应用到新能源汽车、智能电网等战略新兴产业。无论是智能电网还是新能源汽车对锂离子电池的安全、功率、容量等性能提出了更高的要求。

目前已经商业化的锂离子电池负极材料有六方或菱形层状结构的人造石墨和天然改性石墨等碳负极材料以及立方尖晶石结构的钛酸锂(LTO，Li₄Ti₅O₁₂)。但是当以石墨为负极材料时，在首次充放电过程中会造成电解液的分解，严重的降低了其可逆容量，而且在充放电循环过程中，随着锂离子的脱嵌和溶剂分子嵌入到石墨中，容易引起碳负极材料的体积变化，从而导致石墨层的坍塌。加之锂离子在石墨层中的扩散率较低，导致其倍率性能不佳，同时过充时石墨表面易形成锂枝晶，引起电池内部短路。 LTO材料虽然具有零应变、稳定的循环性能以及高热稳定性等优点，但因其材料本身为绝缘体，电子电导率和离子电导率很低(固有电导率仅为10^-9S/cm)，导致其高倍率性能较差。为了满足动力电池对电极材料高能量密度、长使用寿命以及安全性的要求，研究人员一方面不断改进现已商业化负极材料的性能，一方面不断研究探索新型负极材料。其中硅基、锡基负极材料凭借其极高的理论容量受到了广泛的关注。其中硅基材料具有最高的比容量，锂化成Li_4.4Si时，其理论容量达到4200mAh/g，是现有商业化石墨负极材料的十倍多。但当以硅作为锂离子电池负极材料时，在充放电过程中，由于与锂离子作用时会合金化，产生较大的体积效应，体积改变达到400％，容易使材料的结构破坏和电极粉化，从而使其循环效率大大降低。目前硅基负极材料的研究主要集中在Si/M(M为金属元素)类和Si/C类复合材料，多采用纳米合成以缓解其体积膨胀。锡基负极材料主要包括金属锡，锡基氧化物以及锡基合金。其理论容量比石墨负极高出500mAh/g以上，但在脱嵌锂过程中也存在巨大的体积效应，体积改变达到 260％左右，严重地恶化其循环性能，而且其首次不可逆容量较大，这些都极大地限制了其在实际生产中的应用。

铌基负极材料主要包括铌氧化物，钛铌氧化物等。由于锂离子在其中的费米能级较大，因此铌基负极材料对锂离子的电位较高。而铌元素本身具有很多的价态变化，因此铌基负极材料一般具有较高的理论比容量。目前，铌基负极材料的合成方法主要为固相法和水热法。传统固相法合成的材料往往存在着颗粒粒径过大、分散不均匀且团聚比较严重等现象，这直接造成材料的比表面积过小、与电解液接触不过充分，且在充放电过程中容易加剧材料的破裂-粉化-脱落过程，同时大粒径的颗粒会增加锂离子的扩散路径的长度并减少其扩散路径的数量，从而严重恶化材料的循环倍率等性能。而单独采用水热法在一定程度上能缓解因颗粒过大而带来的不利影响，但是对材料电化学性能的改善程度相对有限。

发明内容