[发明专利]一种碳载纳米CoFe负极材料及合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无序碳载纳米CoFe材料及合成方法，属于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

自从1990年日本Sony公司首次推出以石油焦炭为负极的商品化锂离子电池至今，碳材料就一直用作于锂离子电池的负极材料。而目前商业化的锂离子负极材料主要是以石墨类碳材料为主，主要是因为其价格低廉，结构稳定，具有高的导电性和良好的循环稳定性。但石墨类碳材料也存在着缺点和局限性：低的理论比容量(LiC₆，372mAh/g)已经不能满足当前电池能量密度高，体积小的发展要求；耐过充放电性能差，放电电压平台低(0-0.25V)，当放电电位接近0V左右时，会出现金属锂在负极沉积现象，形成枝晶，刺穿隔膜而短路引发危险等等缺点问题。因此，寻求高比容量，安全性能好的锂离子电池负极材料成为当前研究的重点。

无序碳和石墨碳有所不同，无序碳一般是热处理温度不够或者前驱体难以炭化得到的产物。其结构与石墨的有序层状结构不同，储锂的机制也不尽相同。锂离子在石墨材料只能嵌入其碳原子层与层之间，无序碳材料的结构为单原子层的无序结构，能够在单原子层的两面吸附锂；同时，无序碳中通常含有大量来自前驱体的氢，氮等元素，以及各种孔径的微孔与缺陷结构特点，这些都可能与锂离子发生结合或者吸附作用，所以无序碳的理论比容量大于石墨的2倍约900mAh/g。一些文献都有相关的报道，例如：Adv.Mater.17(2005).743-746报道了无序碳作为锂离子负极材料；Journal of Power Sources.195(2010).2050-2056也报道了无序碳作为高性能的锂离子负极材料等等。

因此，选择一种简单易行的制备方法，制备出高性能的无序碳材料作为锂离子电池负极材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有高比容量，良好的循环稳定性及倍率性能的锂离子电池负极材料，即无序碳载纳米CoFe材料及其制备方法。

本发明提供的一种碳载纳米CoFe负极材料，其特征在于，该材料由无序碳和纳米CoFe合金组成，纳米CoFe合金嵌入负载在无序碳中。

本发明提供的一种碳载纳米CoFe负极材料的制备方法，其特征在于，将一定比例酞菁钴和酞菁铁，吡嗪和表面活性剂混合后溶解，然后在反应釜中热聚合，接下来对热聚合产物减压旋转蒸发，得到的粉末样品在氩气气氛下热处理，包括以下各步骤：

(1)将单体酞菁钴和单体酞菁铁的混合物，吡嗪和表面活性剂按照1∶3∶0.05～0.3的摩尔比溶解在有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺中，超声搅拌10～30分钟；其中酞菁钴与酞菁铁的摩尔比为1∶1。

(2)将步骤(1)所得液体转移入聚四氟乙烯内胆反应釜中，然后将反应釜置于150℃～180℃烘箱中保温3～6小时；

(3)步骤(2)中的反应釜自然冷却后，将产物在80℃～99℃水浴减压旋转蒸发，得到紫黑色粉末状物质；

(4)将步骤(3)中得到的前驱体，于氩气气氛下在650℃～850℃之间热处理0.5～2.5小时，得到最终产物，即无序碳载纳米CoFe材料。

其中，步骤(1)中所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基三甲基溴化铵中的一种；步骤(4)中所使用的氩气纯度不小于99.9％。

本发明以酞菁钴和酞菁铁为主原料，经过聚合裂解反应，制备出了由无序碳和CoFe合金组成的锂离子电池负极材料。与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)本发明采用酞菁钴和酞菁铁聚合裂解制备了无序碳载纳米CoFe材料，其制备工艺耗时短，操作简单，所得产品稳定性好，易于储存；

(2)本发明提供的锂离子电池负极材料无序碳载纳米CoFe具有高的比容量，在100mA/g的电流密度条件下能提供约550mAh/g的比容量，并且表现出良好的循环稳定性，90次充放电循环过后，比容量仍然能保持在550mAh/g，同时也具备良好的倍率性能及安全性。

附图说明

图1是实施例1制备的材料的X射线衍射图谱；

图2是实施例1中制备的材料的透射电镜图；

图3是对比例1制备的材料的X射线衍射图谱；

图4是对比例3制备的材料的X射线衍射图谱；

图5是实例1制备的材料作为锂离子电池负极的充放电曲线图，

其中图中数字表示充电过程的循环次数；

图6是实例1制备的材料作为锂离子电池负极的循环性能图；

图7是实例1制备的材料作为锂离子电池负极的倍率性能图。