[发明专利]一种核壳型LaFeO3@C锂电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及水热法和高温热处理方法结合得到具有核壳型LaFeO₃@C锂电池负极复合材料的方法，属于水热法和高温热处理合成新型复合材料和锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池因其具有工作电压高、比能量高、自放电率低、无毒环保等优点而备受关注，成为目前电子产品和电气设备的主要电源。然而，随着近年来电子产品的更新以及人们对能源动力的广泛关注，对锂离子电池提出了更高的要求，需要其具有更高的能量密度、更高的功率密度和更长的使用寿命。

碳基负极材料出现后，由于其具有成本低，较高的循环效率和良好的电化学循环稳定性能，从而被广泛地应用。但其储锂容量较低，理论比容量约为372mAh/g，且在高倍率充电时有安全隐患，因此开发新型负极材料成为提高锂离子电池性能的关键。

P.Poizot等首次提出了过渡金属氧化物可作为锂离子电池负极材料，并通过实验证实了其质量比容量是石墨负极的2～3倍。然而，过渡金属氧化物负极材料也存在着如下问题：首次不可逆容量高；循环过程中体积膨胀率高导致循环寿命低；由于其为半导体材料，其导电性较差导致倍率性能差。研究表明，减少氧化物颗粒尺寸、包覆导电剂、对颗粒进行表面改性和掺杂金属阳离子等方法均可提高氧化物电极的导电性能，其中表面碳包覆改性是提高颗粒间表观电导和改善氧化物电极材料导电性能的有效途径。专利201310100981.2制备了单分散核壳结构的Fe₃O₄@C纳米复合锂离子负极材料具有很高的比容量和较高的循环性能，在0.01-0.3V电压范围内，在0.2C倍率下充放电，其首次放电容量为1031mAh/g，经100次循环后放电容量仍有544mAh/g.专利201110131191.1制备了核壳型碳包覆钴基纳米棒锂离子负极材料，通过电化学测试发现在0.1C电流密度下，首次可逆比容量大于1000mAh/g，经过100圈循环后，可逆比容量仍保持在1000mAh/g以上，证明该材料在保持高比容量的同时具有很强的循环稳定性。而且该材料在大电流条件下(1C，2C，5C)也具有很好的储锂性能。Chen等人在J.Mater.Chem22(2012)15056上报道过水热法制备核壳结构的碳包覆Co₃O₄纳米线锂离子负极材料，电化学测试表明，碳包覆的Co₃O₄纳米复合材料的储锂性能远远高于未包覆碳层的Co₃O₄纳米线。证明了表面碳包覆改性确实能大大提高纳米负极材料的储锂性能。

钙钛矿型ABO₃氧化物具有低成本、易活化、高的放电容量和良好的化学稳定性等特点备受关注。LaFeO₃是铁酸盐系列的一种，属于钙钛矿(ABO₃)型复合氧化物。近年来，由于LaFeO₃具有好的晶体结构、磁性、电导性、压电和电光性质，而在固体电解液、固体燃料电池、发动机、电化学器件、传感器等领域得到应用。根据文献检索，未发现有关LaFeO₃纳米材料应用于锂离子电池负极等方面的相关文献报道，在实际工业生产中也未涉及。

本发明通过水热法和高温热处理法首次合成具有核壳型的LaFeO₃@C纳米复合材料。水热法具有设备和工艺简单，易于控制反应条件，产物重复性好，产率高，合成方法绿色，便于工业大规模生产等优点，因此水热法制备核壳型LaFeO₃@C复合纳米材料的方法具有巨大的潜在科研价值和应用价值。电化学实验表明核壳型LaFeO₃@C纳米颗粒具有优异的循环储锂性能(主要体现在比容量高，循环性能稳定，大电流的适应性好)，其储锂性能远远高于未包覆碳层的LaFeO₃纳米颗粒，为其在锂离子电池负极材料的应用提供了可能，具有很好的发展潜能和应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有核壳结构的LaFeO₃@C锂电池负极材料的制备方法。

本发明是一种合成具有核壳结构的LaFeO₃@C锂电池负极材料的方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤：

分别称取硝酸镧，硝酸铁，尿素，碳水化合物配置成一定体积的混合水溶液，充分搅拌后，得到无色透明的混合溶液，其中硝酸镧、硝酸铁和尿素的用量摩尔比在1∶1∶100～1∶1∶20之间，碳水化合物的浓度在0.3-0.6M间。