[发明专利]碳包覆四氧化三铁及其制备方法和在锂离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用碳包覆金属氧化物型复合电极材料制备，具体涉及一种碳包覆Fe₃O₄电极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池由于能量密度高，循环寿命长，荷电保持能力强以及环境友好等优点而被广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车、航天航空、太阳能发电和储能等领域。目前商品化锂离子电池的负极材料多选用石墨类碳材料，但由于该类材料在使用过程中存在比容量低（石墨理论容量372 mAh/g）和循环衰减过快等问题，极大地限制了其在高能量密度型动力锂电池上的应用。考虑到锂离子电池良好的经济效应、社会效益和战略意义促进了更高功率密度，良好安全性且价格低廉的锂离子电池的开发。为此，需要寻找比容量更高（> 600 mAh/g），容量发挥稳定，优异倍率性能的负极材料，以替代传统的石墨类负极材料。

由于金属氧化物（M_xO_y）具有远高于石墨的理论比容量，如Fe₂O₃为1005 mAh/g （Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509, L216-L220），Fe₃O₄为926 mAh/g （Materials Chemistry and Physics, 2011, 128, 336-340）。氧化铁材料有望应用于高能量密度或动力型锂离子电池中。然而由于M_xO_y的本质缺陷，目前仍无法得到可实际应用的锂离子电池用金属氧化物负极材料。其主要原因有：(1) M_xO_y的导电性较差，电子或离子电导率低，反应可逆性降低过快；(2) M_xO_y反复与Li反应过程会发生体积膨胀，最终导致粉化而使其与集流体失去电接触，损失容量；(3) M_xO_y反复与Li反应过程会有团聚发生，参与电极反应的M_xO_y将会不断减少；(4) M_xO_y会与电解液发生副反应不可逆地消耗锂。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、比容量高、倍率性能优异且循环寿命长的碳包覆氧化铁电极材料。

本发明另一目的是提供上述碳包覆氧化铁电极材料的制备方法。

本发明的实现过程如下：

一种碳包覆四氧化三铁，其碳包覆量为5~40%，采取如下方法制备得到，将Fe₂O₃在Ar气氛下于500-700 ℃通入乙炔气进行Fe₂O₃的还原和碳包覆，其中Ar和乙炔的流速比为100 : 1～10，即可得到碳包覆Fe₃O₄复合材料。

上述反应时间优选为10～30分钟。

上述Fe₂O₃可采用市售Fe₂O₃，也可采用现有文献方法制备。在此，发明人提供以下Fe₂O₃制备方法。

（1）将FeCl₃?6H₂O、乙酸铵与聚乙烯吡咯烷酮溶于水，其中FeCl₃?6H₂O、乙酸铵、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的质量比为（1-6）：（1-5）：（1-8）：（200-300）；

（2）将上述溶液置于密闭反应器中120-160 ℃反应12-24 h；

（3）收集沉淀、干燥得Fe₂O₃。