[发明专利]碳包覆四氧化三铁/氮掺杂石墨烯复合材料及其制备应用

说明书

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体涉及一种碳包覆四氧化三铁/氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法，属于材料和电化学技术领域。本发明提供一种复合材料，所述复合材料由碳包覆四氧化三铁和氮掺杂石墨烯组成，所述复合材料中，四氧化三铁均匀地分布在石墨烯片层的表面。本发明的复合材料由碳包覆四氧化三铁和氮掺杂石墨烯复合材料组成，该复合材料作为锂离子电池负极材料使用过程中，具有优异的循环和倍率性能。此外，本发明所得碳包覆四氧化三铁/氮掺杂石墨烯复合材料不仅能有效缓冲四氧化三铁在电化学反应中的体积效应，同时还提高了材料的导电性，大大降低电池的阻抗，从而有效地提高了材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体涉及一种碳包覆四氧化三铁/氮掺杂石墨复合材料及其制备方法，属于材料和电化学技术领域，本发明还涉及该复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

随着石油资源的枯竭，促进可再生能源的发展具有重大的社会和经济效益。在以化学储能为应用背景的储能新技术中，锂离子具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、无记忆效应、对环境友好等优点，以其他二次电池(镍氢电池、铅酸电池、镍镉电池)所不能比拟的优越电性能及外型可变等优势迅速占领了众多市场领域，成为各种便携式电子产品的首选，并正在向电动汽车等大中型储能设备和光伏工程等新能源领域扩展。目前商用的锂离子电池主要采用石墨负极，而石墨负极较低的理论容量(372mA h g^-1)极大地限制了电池整体容量的提升，因此迫切需要开发新的高容量的锂离子电池负极材料。近年来研究表明，过渡金属氧化物最有希望代替传统石墨负极成为新一代高容量负极材料。

在过渡金属氧化物中，四氧化三铁来源丰富，环境友好，且具有高的理论容量(924mA h g^-1)，成为了研究的热点。但是，四氧化三铁材料电导率较低，且在锂离子嵌脱过程中存在较大的体积变化，造成材料的失效，大大限制其应用。

碳包覆能提高Fe₃O₄的电化学性能，人们采用了很多方法对其进行改性，例如制备纳米化的Fe₃O₄、碳包覆的纳米Fe₃O₄以及纳米级的Fe₃O₄/C复合材料等。在锂离子充放电过程中，纳米材料由于具有较大的比表面积、较短的扩散路径以及较快的扩散速率，可以吸收和储存大量的锂离子，有利于提高其电化学性能；碳包覆层能够阻止活性物质在电池充放电过程中发生较大的体积变化，以及避免活性物质的团聚；碳基体还具有良好的导电性、锂渗透率高，以及电化学性能稳定等特点。

目前，碳包覆Fe₃O₄纳米复合材料的制备方法主要有水热法、热分解法等。如公开号为CN102790217B的中国专利本发明公开了一种碳包覆四氧化三铁锂离子电池负极材料及其制备方法；该负极材料为碳包覆Fe₃O₄复合材料，其粒径为1～100nm之间；其制备过程：采用NaCl作为分散剂和载体，将其与金属氧化物源和固体碳源充分混合；将混合溶液真空干燥，得到混合物；将混合物放入管式炉中在惰性气氛下煅烧，得到煅烧产物；将煅烧产物洗涤，研磨得到碳包覆金属氧化物纳米颗粒。又如公开号为CN103647041A的专利申请公开了一种碳包覆四氧化三铁纳米线及其制备方法和其在制备锂离子电池中的应用；公开号为CN104993126A的中国专利申请公开了一种碳包覆Fe₃O₄纳米颗粒锂离子电池负极材料制备方法及其应用。可见，现有技术中，绝大部分的研究多集中在碳包覆Fe₃O₄纳米复合材料的制备方法中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料，该材料由碳包覆四氧化三铁和氮掺杂石墨烯复合材料组成，该复合材料作为锂离子电池负极材料使用过程中，具有优异的循环和倍率性能。

本发明的技术方案：