[发明专利]一种包封纳米颗粒的多核多壳层中空材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及功能材料技术领域，涉及一种包封纳米颗粒的多核多壳层中空材料及其制备方法和应用。包括以下步骤：1)采用对碳源水溶液进行加热反应，获得碳球模板；2)将步骤1)得到的碳球模板分散于金属盐溶液中，得到固体前驱体；3)将步骤2)得到的固体前驱体焙烧，得到中空多壳层金属氧化物材料；4)将步骤3)得到的中空多壳层金属氧化物材料分散到含多巴胺单体的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，得到金属氧化物多壳层各个壳层均包覆多巴胺聚合物的复合材料；5)将步骤4)得到的复合材料在惰性保护气氛或真空下进行高温煅烧，得到包封纳米颗粒的多核多壳层中空材料。该材料可维持900mAh/g的比容量，性能远超相同组分的商业纳米颗粒。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，具体的说，涉及一种包封纳米颗粒的多核多壳层中空材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着传统化石燃料(主要包括煤炭，石油以及天然气)的不断耗尽以及持续使用所带来的环境污染和温室效应问题，一些可再生清洁能源比如风能，太阳能，潮汐能越来越受到人们的重视。与传统燃料不同的是，这些清洁能源在大规模使用过程中存在不连续性，不稳定性以及只能在能源产地使用的缺点。电化学储能的二次电池体系是实现清洁能源转换和存储的重要途径之一。锂离子电池由于能量密度大，循环寿命长以及工作电压高等优点，在电化学能源存储领域扮演着非常重要的角色。另一方面，伴随着便捷式电子产品和电动车技术的快速发展，市场对更高性能和容量的锂离子电池的需求急剧增加，这使得开发新一代锂离子电池电极材料成为当前的研究重点。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液以及电池外壳组成，其中负极材料对电池的性能起着决定性的作用。作为目前商用的锂离子电池负极材料的石墨，其理论储锂容量仅为372mAh/g,远远不能满足人们对高容量电池的需求，因此开发具有更高容量的负极材料成为当前材料工作者的主要目标之一。与石墨的层插储锂机制不同，单质锡、锗和硅等作为新兴的负极材料，其储锂机制表现为充放电过程中与锂离子的合金化以及去合金进化反应。虽然这类材料具有远超石墨负极的理论比容量(Sn：993mAh/g，Ge：1600mAh/g和Si:4200mAh/g)，但在充放电过程中也存在着剧烈的体积变化。这种体积的变化使得其在循环中承受巨大的机械应力并逐渐粉化坍塌，使活性材料和集流体之间失去连接；另一方面，体积膨胀收缩所带来的SEI膜的不断破裂和生成加剧了电解液的损耗并最终导致电池的失效。

目前针对这类合金化电极材料的改性工作主要体现在两个方面，一是通过将电极材料纳米化来释放其在体积膨胀过程中的机械应力，进而防止其在循环过程中的粉化；二是引入保护材料(如碳和一些氧化物材料)，设计适当的材料结构，以缓冲充放电过程中的体积膨胀并稳定SEI膜，从而取得理想的电化学性能。围绕这两方面，研究人员开展了很多卓有成效的材料设计工作，使得这类合金化电极材料的性能得到了有效提高，但仍然存在诸如循环寿命不长，倍率性能不佳以及能量密度过低等问题，目前仍不能满足实际的商业应用需求。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明提供一种包封纳米颗粒的多核多壳层中空材料及其制备方法和应用，即，多壳层氧化物壳核转变制备新材料的方法及应用。本发明通过包覆的含氮碳层原位还原各个氧化物的壳层，使氧化物转变为其对应的纳米金属单质颗粒并均匀地锚定在一个中空结构的各个碳壳层之间，在此基础上又可采用CVD的方法，得到非金属的复合纳米颗粒。中空结构中多个碳层的存在既能有效缓冲充放电过程中的体积膨胀，保障了材料的循环稳定性，又能在材料内部形成了有效的导电网络，益于内部电子和锂离子的传输，大大提高了材料的倍率性能。

本发明提供了一类锂离子电池用负极材料及其制备方法。本发明通过对多壳层氧化物的内外壳层进行碳源包覆，并在惰性气氛中对其进行原位还原反应，实现了从氧化物的“壳”到金属纳米颗粒的“核”的转换，得到了一种金属纳米颗粒均匀的分散在具有中空多壳结构的N掺杂C材料的各个壳层之间的多级结构材料，在此基础上又可采用CVD的方法，得到非金属复合纳米颗粒。这种材料以其独特的结构优势在锂电负极应用方面展现出了优异的电化学性能。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：