[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种碳包覆四氧化三铁纳米线及其制备方法和使用该材料的负极材料和锂离子电池。

背景技术

近年来，随着移动通讯产品，笔记本电脑，数码相机等各种便携式电子产品的广泛普及以及新一代电动车和混合动力电动车的商品化开发，高容量二次电池的需求量日益增加，加之环境保护的需要，人们越来越多地致力于开发新能源，以期替代煤和石油等传统能源。因此新型高性能的锂离子二次电池、风能、太阳能、地热能等绿色能源近年来发展迅速。与传统的铅酸、镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子电池具有高容量、长循环寿命、自放电小和高能量密度、无记忆效应等优势。作为一种新型能源的典型代表，锂离子电池有着十分明显的优势，但同时也有很多不足需要改进，如成本高、商业化电极材料容量过低等。目前商业化锂离子电池所用负极材料主要为石墨类碳材料。由于石墨类碳材料本征电导率高，脱嵌锂过程中结构稳定，其循环稳定性好，具有较低的嵌脱锂电位，且碳材料比较廉价，但是其理论容量低，只有372 mAh/g，无法满足日益增长的对高容量、高能量密度锂离子电池的要求。目前，硅、锡、过渡金属氧化物等新材料被看作是石墨负极材料的潜在替代材料，但它们在嵌脱锂过程中的体积变化大，具有较低的电子电导率，从而存在较大的不可逆容量和循环稳定较差的缺点，这限制了这些新材料的实际应用。寻求简单的方法制备兼具高容量和长寿命的负极材料对于生产高性能的锂离子电池，拓宽锂离子电池的应用领域具有极其重要的现实意义。

过渡金属氧化物，如Fe₂O₃、Fe₃O₄、CuO等，因其较高的理论容量和较好的安全性近年来越来越受到关注。但过渡金属氧化物由于在脱嵌锂过程中存在较大的体积变化而易产生粉化，再加上它们的导电性较差，从而使部分活性物质在循环过程中失去有效电接触，因此大大降低了其循环稳定性。目前主要通过材料纳米化以及制备复合材料等对过渡金属氧化物进行改性。材料纳米化可以大幅度降低颗粒因嵌脱锂过程引起的粉化及团聚，能够大大提高材料的利用率。通过与导电性良好的碳材料等复合，能够提高金属氧化物的电子电导率，增强了材料整体的电接触，另外碳材料的引入也能大大限制颗粒的粉化。

Fe₃O₄作为锂离子电池负极材料具有926 mAh/g的理论容量，大约是石墨负极材料的2.5倍，此外其还具有成本低廉、原材料来源丰富、安全环保等优势，是极具前景的锂离子电池负极材料，但是循环过程中产生较大的体积变化导致颗粒粉化造成电子电导率下降，最终导致其较差的循环稳定性。Ban C.M.等（C. Ban, Z. Wu, D. T. Gillaspie, et.al., Advanced Materials, 2010, 22, E145）制备了一种四氧化三铁与单壁碳纳米管的复合材料，添加5%的碳纳米管的材料具有优异的循环稳定性，经过50次循环之后其比容量仍可达1100 mAh/g。Kang E.等（E. Kang, Y. S. Jung, A. S. Cavanagh，et. al., Advanced Functional Material, 2011, 21, 2430）在多孔碳中制备了分散的四氧化三铁纳米颗粒并通过原子沉积手段包覆一层氧化铝，该复合材料具有非常好的循环稳定性和高倍率性能。上述文献通过不同实验方法，改善了四氧化三铁的电化学性能，显示了四氧化三铁在锂离子电池负极材料方面的应用前景。

由于其独特的一维结构，纳米线可以很好的调节在嵌脱锂过程中产生的应力，从而极大的减弱了颗粒的粉化问题，而且碳包覆后的一维纳米线的电子电导率也得到大幅提高，因此通过简单易行的方法制备一维碳包覆Fe₃O₄纳米线对于解决的Fe₃O₄循环稳定性有极大的促进作用。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种碳包覆四氧化三铁纳米线及其制备方法，该制备方法工艺简单，适合规模化生产，且具有原材料来源丰富、成本低廉、安全环保等优点。本发明的第二个目的是提供使用该材料的锂离子电池负极材料及锂离子电池。

为了实现本发明的第一个目的，本发明采用以下的技术方案:

一种碳包覆四氧化三铁纳米线的制备方法，该方法包括以下步骤：

a．以二茂铁和/或二茂铁衍生物与硫酸氢铵为原材料，两者按照质量比为1：（1 ~ 8）的比例混合均匀；