[发明专利]一种非晶氧化物的低温包碳方法及应用

说明书

非晶氧化物的低温包碳方法及应用，非晶氧化物的低温包碳方法，将铁源化合物K₃[Fe(CN)₆]、无机配体NH₄H₂PO₄和去离子水的质量比为：(0.236～0.413)：(0.026～0.056)：66的混合溶液，在160～200℃下水热处理得到非晶Fe₂O₃；再将合成的非晶Fe₂O₃、苹果酸和甲苯按(0.9～1.1)：(0.9～1.1)：40的质量比称取，密封搅拌2h，将搅拌好的溶液置于烘箱中以180℃烘干8h，将烘干后的粉末转移至试管炉中，在氮气的保护下以2℃/min的升温速率，于250～280℃煅烧3h获得非晶Fe₂O₃@C复合材料；最后将制得的非晶Fe₂O₃@C作为负极材料引入锂离子电池。

技术领域

本发明涉及非晶氧化物的低温包碳方法领域，特别涉及一种非晶氧化物的低温包碳方法及应用。

背景技术

随着现代经济的快速发展，石油、煤炭和天然气等化石原料被过度消耗，环境污染加重及全球气候变暖加剧，已广泛开发风能、太阳能和地热能等新能源系统。但这些可再生能源在存在能量不稳定等问题，寻求高容量、低成本及环境友好的能源存储系统已经迫在眉睫的。锂离子电池(LIBs)作为分散式独立储能系统具有电极电势极低、能量密度大、倍率电容高、低成本寿命长等优点。LIBs自1991年商业化以来，商用负极材料主要由石墨组成，虽然石墨负极制造工艺成熟、价格低廉，但理论容量仅为372mAh/g，已经无法满足现代高性能储能设备的需求，急需开发高性能的电极材料。氧化铁(Fe₂O₃)因其储量丰富、价格低廉、理论容量高(1007mAh/g)无毒等优点而受到广泛关注。然而，Fe₂O₃材料存在本身导电性能差、体积膨胀引起的循环性能不稳定和倍率性能低等问题。

为了解决这些问题，可以引入碳包覆工艺。对材料进行碳包覆，一方面可改善材料的电导率，另一方面可提供稳定的化学和电化学反应界面。碳包覆法常见的一些有机碳源有：聚多巴胺、间苯二酚-甲醛树脂、糖类(葡萄糖，蔗糖等)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、单宁酸等。采用聚多巴胺(PDA)来对材料进行包覆，然后对PDA包覆后的材料在惰性气氛下进行煅烧即可得到碳包覆的材料。2018年吴昊等人采用PDA对方形三氧化二铁进行包覆，随后在Ar气氛下500℃进行煅烧，从而得到碳包覆的四氧化三铁电极材料。通过间苯二酚与甲醛的体型缩聚反应可实现间苯二酚-甲醛树脂碳包覆法。2013年，霍启生等人采用间苯二酚-甲醛树脂对具有不同表面性质的功能材料进行包覆，在材料表面形成一层均匀的聚合物膜，通过在惰性气氛下600-800℃进行煅烧，就可以在材料表面形成具有微孔结构的碳层。糖类有机碳源包含许多种，常见的有葡萄糖，蔗糖，果糖，纤维素和淀粉等。2017年，刘恒等人将磷酸铁、氢氧化锂与葡萄糖通过球磨的方式进行均匀混合，喷雾干燥，最后在氮气气氛下650℃进行煅烧10h，制备出了碳包覆的LiFePO₄。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)也常用于碳包覆，而且由于pvp中也含有N元素，最终生成的碳层也是氮掺杂的碳。2017年余桂华等人将硫酸锂和pvp一同溶在酒精中，然后在600℃下进行煅烧就得到了Li₂SO₄/C材料。单宁酸与聚多巴胺包覆类似，在中性的缓冲溶液下，它几乎能立即包覆在任何材料的表面。2016年，李磊等人采用单宁酸作为有机碳源来对以Si和TiO₂电极材料进行包覆，退火温度为800℃。

上述碳包覆法均需要在500-800℃的高温条件下进行，但在此高温条件下非晶材料会转化为晶态，从而失去非晶材料的特性。所以本发明探索使用一种低温碳包覆方法，以苹果酸为碳源，甲苯为溶剂，将碳包覆在非晶Fe₂O₃表面，旨在提升电极的循环稳定性。

发明内容