[发明专利]石墨复合材料及其用途、制备方法以及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种石墨复合材料及其用途、制备方法以及锂离子电池。

背景技术

一直以来，好的导电性和层状结构的石墨是目前商用锂离子电池的最常用负极材料。但是石墨容量只有372mAh/g，实际情况下，容量更低，一般情况下只有300mAh/g左右。石墨与电解液相溶性差，首次库仑效率比较低，并且在大倍率下充放电性能较差。所以在实际中用到的都是改性石墨，改性的方法一般有石墨表面包覆，石墨的表面氧化处理及石墨的掺杂改性等。但是天然石墨层间距比较小(约为0.335nm)，致使嵌入的锂离子数量有限。石墨与电解液的相容性差，在电池充放电的过程中，随着锂离子的脱出和嵌入，石墨层间会产生剥落、粉化甚至崩塌，这样就增加了不可逆容量损失，导致其理论比容量低、不可逆容量高、倍率和循环性能变差。另外天然石墨负极材料的离子/质子传输通道有限、存在明显的电压滞后、首次充放电可逆容量低、制备方法比较复杂，常见石墨化温度超过2800℃等缺点。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种石墨复合材料，以改善现有石墨电极材料充放电效率低、可逆性差、结构不稳定、循环性能差的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述石墨复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单，通过该制备方法制备的石墨复合材料用做锂离子电池电极材料时具有充放电效率高、可逆性好、结构稳定、循环性能优异的性能。

本发明的第三个目的在于提供一种锂离子电池，以使得其具有充放电效率高、可逆性好、结构稳定、循环性能优异的性能。

本发明的第四个目的在于提供上述石墨复合材料在锂离子电池负极材料，使得其制备的锂离子电池具有充放电效率高、可逆性好、结构稳定、循环性能优异的性能。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一种石墨复合材料，具有核壳结构，其包括：石墨内核，其中金属氧化物纳米粒子插入在石墨内核的石墨片层剥离结构中形成插层结构；以及外壳，由含氮碳材料构成，至少部分包覆所述石墨内核。

一种锂离子电池，包括：正极、包括上述石墨复合材料的负极、隔膜以及电解液。

上述石墨复合材料作为锂离子电池负极材料的用途。

上述石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)将石墨与具有氧化性的金属氧化物前驱体反应，使得金属氧化物前驱体至少一部分进入石墨片层剥离结构中形成插层结构，得到具有插层结构的石墨颗粒作为第一产物。

(b)在造孔剂存在下使含碳氮聚合物包覆在在石墨颗粒外表面，得到具有核壳结构的石墨颗粒作为第二产物。

(c)将第二产物进行热处理，以使含碳氮聚合物碳化转变为含氮碳材料，金属氧化物前驱体转变为金属氧化物，从而得到石墨复合材料。

本发明实施方式的一种石墨复合材料及其制备方法以及石墨复合电极的有益效果是：通过以石墨为主体材料，与高铁酸盐反应，利用其氧化性促使石墨边缘片层剥离，反应形成的铁化合物大部分沉积在石墨表面，部分进入石墨片层剥离结构中形成插层结构，再通过添加造孔剂后，利用吡咯原位聚合的方式，在材料表面形成一层富氮高分子膜，最后经过热处理后，氧化亚铁纳米粒子分散在石墨表面和片层剥离结构中，防止了纳米粒子的团聚，提升了石墨的容量。而表面的聚吡咯则碳化形成富氮碳包覆材料对壳内层材料具有限域作用，可以防止材料在充放电过程中因为体积效应而粉化，有效提升了材料的循环稳定性，同时部分氧化亚铁纳米粒子在石墨片层剥离结构中形成插层结构也会提升材料的循环稳定性。最终得到具有多核壳结构的多孔氮掺杂碳/氧化亚铁/天然石墨复合材料，使得该石墨复合材料具有充放电效率高、可逆性好、结构稳定、循环性能优异等优点，且其制备工艺简单，通过该石墨复合材料制备得到的电池电极也具有充放电效率高、可逆性好、结构稳定、循环性能优异的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1中制备的石墨复合材料的扫描电子显微镜表面微观结构图；

图2为本发明实施例2中制备的石墨复合材料的扫描电子显微镜表面微观结构图；

图3为本发明实施例3中制备的石墨复合材料的扫描电子显微镜表面微观结构图；

图4为本发明实施例4中制备的石墨复合材料的扫描电子显微镜表面微观结构图；