[发明专利]一种管状核壳结构石墨@Fe3C的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种管状核壳结构的石墨@Fe₃C复合材料及其制备方法和应用，以石墨蠕虫、二茂铁、30%双氧水为原料，通过简单的液相方法并在惰性气体保护下烧结，制备出了石墨@Fe₃C高容量负极材料，具有工艺简单、成本低、周期短、能耗低等优点，该材料具有优良的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池复合材料领域，具体涉及一种管状核壳结构的石墨@Fe₃C复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池以其高可逆容量、高能量密度、长循环寿命、以及绿色环保等优点，,因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用,对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池一般采用碳基负极材料,如石墨,这种材料虽然稳定性较高,但理论容量仅有372mAh/g，并且安全性能较差,已不能够满足日益增长的社会能源需求。因此对碳材料进行改性掺杂，或者得到特殊形貌是提高理论容量行之有效的办法，如引进孔洞，管道，缺陷，相应的官能团以及掺杂B、N等元素。

石墨，目前已经产业化的负极材料，其晶体具有典型的层状结构,在一个层面内其碳原子间形成共价键,键能为586k J/mol。而在层间,则以微弱的范德华力结合,键能仅为16.7k J/mol。目前对石墨进行改性处得到多种多样的具有优良性能的材料，如石墨烯、石墨蠕虫、碳纳米管、碳纳米卷。

现有技术中已经发表了关于Fe₃C/C复合材料，Fe₃C/Fe@C复合材料，N掺杂的graphene/Fe–Fe₃C复合材料，核壳结构的富N的Fe/Fe₃C-C纳米棒材料。

2013年由Liwei Su发表在Electrochimica Acta的核壳结构的Fe@Fe₃C/C复合材料，其中Fe核大小为20～50nm,Fe₃C壳大小为8nm。制备方法是以α-FeOOH纳米棒为Fe前驱体，于氩气环境在350℃烧结4h,600℃烧结10h。该材料在50mA/g电流密度下循环30次还能保持～500mAh/g的脱锂容量。

2014年由Xiuyun Zhao发表在Electrochimica Acta上的原位合成N掺杂C负载纳米级Fe₃C复合材料，其制备方法为在700℃下于氩气环境中热聚合-热裂解酞菁化铁。该材料具有优良的倍率性能和循环性能，在100mA/g的电流密度下循环120次还能保持 750mAh/g的脱锂容量，库伦效率保持在将近100％。

2014年由Yanlei Tan发表在Chemical Engineering Journal上的N掺杂的石墨烯负载Fe-Fe₃C复合材料，其中Fe和Fe₃C的颗粒大小为10～20纳米，均匀的分散在N 掺杂的石墨烯载体上，其制备方法是一步热解铁基金属有机框架化合物(MIL-100(Fe))，该材料在1A/g的电流密度下循环100次还能保持607mAh/g的脱锂容量，具有较高的容量保持率。

虽然现有技术得到了Fe₃C和碳素材料的复合材料，其循环性能也相当好，但是其制备方法一般是通过热裂解，温度一般高于700℃，原料和昂贵，不适合工业化生产。

发明内容