[发明专利]一种用作锂电池负极材料的氟碳掺杂的四氧化三铁及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，特别涉及一种用作锂电池负极材料的氟碳掺杂的四氧化三铁及其制备方法。

背景技术

在目前的商业化锂离子电池体系中，主要以石墨作为锂离子电池负极材料，然而石墨类负极材料的理论比容量只有372 mAh/g，因此寻找新型高性能负极材料成为了焦点。在此之前，各国学者主要研究集中在以锂金属或合金为负极的锂电池体系。虽然金属锂具有高能量密度和高电压等优点，但是由于在充电过程中，会使锂金属在负极产生不均匀的沉积，进而形成了枝晶锂。当累积到某种程度后，枝晶锂在后续的充放电过程中，继续增长，因而刺穿隔膜造成电池内部短路而引发爆炸。而且在充放电过程中，枝晶锂也会发生折断脱落形成死锂，从而造成了不可逆的容量损失。所以使锂二次电池的开发一直受到阻碍。

自从Poizot等研究了过渡金属氧化物在锂离子电池方面的应用，各种金属氧化物一直是人们研究的重点。国内外众多学者从不同的方面研究了这些金属氧化物作为负极材料在锂电池方面的应用，尽管这类材料有着很大的市场应用价值，但是在实际的商业化锂离子电池应用中有着很大的限制，很难实际应用于商业化的锂离子电池中。首先，由于这类材料在锂离子嵌入和脱出的过程中会有较大的体积膨胀和收缩变化，从而导致活性物质的粉化并且与集流体失去电接触，极大的影响了此类材料的循环性能以及应用。其次，与传统的石墨负极材料相比，这些材料具有较差的电子传导率。这一点对于商业化的锂离子电池尤其重要；最后，这类材料对环境具有一定的危害，在“绿色化学”快速发展的今天，减少对环境的污染也是人们关心的重点。因此，发展更高效，安全的锂离子电池负极材料成为了大众关注的焦点。

四氧化三铁作为过渡金属氧化物的一种，由于其具有环境友好，价格低廉，资源丰富，理论比容量高（928mAh/g），由于其嵌锂电位为0.8V左右，不与常用电解液反应，安全性能好，已经广泛受到研究人员的关注。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种一种用作锂电池负极材料的氟碳掺杂的四氧化三铁及其制备方法，其通过碳元素和氟元素对特定结构的纳米四氧化三铁进行掺杂，得到具有高比容量的锂电池负极材料，使得本发明的四氧化三铁作为锂电池负极材料时具有极其优越的性能，使作为负极材料的四氧化三铁的在锂离子电池的应用领域具有更为广阔的前景。

本发明提供一种用作锂电池负极材料的氟碳掺杂的四氧化三铁为空心、多孔或多孔的空心纳米结构。

本发明中的氟碳掺杂的四氧化三铁中氟碳的掺杂对四氧化三铁的性能具有显著影响，其在作为锂电池电极材料的应用中体现的实际比容量显著高于单一元素对四氧化三铁掺杂所得到的掺杂四氧化三铁，性能也更加稳定，其作为锂离子电池电极材料充放电100次后，比容量不低于900mAh/g。

氟和碳的掺杂量对四氧化三铁的性能也产生一定的影响，本发明中的氟碳掺杂纳米结构中，F与Fe的质量比不高于1，C与Fe的质量比不高于1，发明人发现在氟碳掺杂体系中，当掺杂的氟或碳的量高于四氧化三铁中铁的量时，掺杂得到的四氧化三铁会出现容量比性能的下降，其原因尚不得而知。

本发明中，氟碳掺杂的四氧化三铁纳米结构中，F与Fe的质量比优选不高于0.5，更优选不高于0.2，F与Fe的质量比不低于0.001，更优选不低于0.01，更优选不低于0.05；C与Fe的质量比优选不高于0.6，更优选不高于0.25，C与Fe的质量比不低于0.001，更优选不低于0.01，更优选不低于0.05。

本发明中，氟碳掺杂的四氧化三铁纳米结构中，C与F的质量比没有特殊要求，优选的C与F的质量比为0.1-10，更优选的为0.25-4.5，C与F的质量比亦可任选的取1-10中的任意整数，在本发明中，虽然C与F的用量比没有严格限定，但发明人仍然发现，当C的掺杂量固定时，F的掺杂量低于碳的掺杂量所得的掺杂四氧化三铁性能优于F的掺杂量高于碳的掺杂量所得的掺杂四氧化三铁，这是发明人所没有预期到的，因此，本发明的技术方案中更优选掺杂四氧化三铁中F的质量不高于C的质量。

本发明中的一种用作锂电池负极材料的氟碳掺杂的四氧化三铁的制备方法包括如下步骤：

（1）将含有三价铁的铁源与能够与络合剂及弱还原剂混合后，通过水热法制得空心、多孔或多孔的空心四氧化三铁；

（2）将空心、多孔或多孔的空心四氧化三铁与具有羟基作为侧基的碳链结构的醛、酮或酯类化合物的溶液混合，通过水热法反应后碳化处理得到碳掺杂的空心或多孔四氧化三铁；