[发明专利]一种铁基电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种铁基电极材料及其制备方法和应用，该材料包括Fe‑F‑O组合物、杂原子掺杂碳材料和碳纳米管，其中，Fe‑F‑O组合物为FeF_x中的至少一种与Fe_yO_z中的至少一种形成的组合物，其制备方法包括：(1)将铁源、氟源、杂原子掺杂碳材料、碳纳米管和含氧有机溶剂混合；(2)将混合溶液干燥后进行热处理，得到铁基电极材料。本发明制得的铁基电极材料导电性好、结构稳定，具有较高的可逆比容量、倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及锂离子电池电极材料，尤其涉及一种铁基电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类社会的不断进步与对能源需求量的增加，新能源产业得到了迅速发展，锂离子电池作为一种电压高、能量大、循环寿命长的新能源，在电子设备、电动汽车和航空航天等领域得到了广泛应用。其中，电极材料是目前限制电池性能的主要因素。铁基电极材料资源丰富，安全无污染，是一种合适的电极材料，尤其是铁的氟化物，其具有较高的比容量和充放电电压，与钴酸锂、镍钴锰酸锂和镍钴锰酸锂三元材料相比价格低廉，已逐渐成为近年来最受关注的电极材料之一。但由于金属氟化物的离子键特性，使得其电子电导和离子扩散较差，电化学性能仍有待进一步改善。

CN111883770A公开了一种复合三氟化铁正极材料及制备方法和应用，其采用碳纳米角和Fe(NO₃)₃·9H₂O通过液相合成法合成了FeF₃·0.33H₂O-碳纳米角复合材料，改善了FeF₃的导电性不佳的问题。

CN111682171A公开了一种铁基氟化物颗粒及其制备方法和应用，所得铁基氟化物颗粒呈多孔八面体状，三氟化铁均匀分布在高度石墨化的三维多孔碳中，提高了复合颗粒的电导率。

CN103855389A公开了一种三氟化铁/碳复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括50～90wt％的三氟化铁和10～50wt％的碳材料，能够改善三氟化铁材料的电导率过低的问题。

但是上述方案得到的电极材料在可逆比容量、倍率性能和循环性能上均有待提高。因此，开发一种性能更加优良的锂离子电池电极材料对于本领域有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铁基电极材料及其制备方法和应用。本发明能够改善材料电子电导，同时能够缓解材料在循环过程中的应力变化，稳定材料结构，进一步提高铁基电极材料的可逆比容量、倍率性能和循环性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铁基电极材料，该铁基电极材料包括Fe-F-O组合物、杂原子掺杂碳材料和碳纳米管，其中，所述Fe-F-O组合物为FeF_x中的至少一种与Fe_yO_z中的至少一种形成的组合物，其中，2≤x≤3，0y≤3，1≤z≤4。

本发明采用Fe-F-O组合物、杂原子掺杂碳材料和碳纳米管作为主要组分，三者协同作用，可以提高铁基电极材料的可逆比容量、倍率性能和循环性能，其技术原理如下：第一、FeF_x和Fe_yO_z均具有较高的比容量和充放电电压，作为电极材料使用能够提高锂离子电池的比容量；同时，两者脱嵌锂的电位不同，当其中一者进行锂离子的脱嵌时，另一者能够充当惰性物质，起到支撑材料结构的作用，两者协同使用能够稳定材料结构，缓冲电极材料在充放电过程中的体积变化，改善材料的循环稳定性。第二、碳纳米管为一维结构，提供加速长程电子电导，杂原子掺杂碳材料和碳纳米管复合共同构建长程立体导电网络，改善材料电子电导，将这两类碳材料相结合有利于缓解材料在循环过程中的应力变化，稳定材料结构。