[发明专利]铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料及其应用

说明书

本申请公开了一种铁基金属有机骨架化合物、其与石墨烯形成的铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料，及其在锂离子电池中作为负极活性材料的应用。所述铁基金属有机骨架化合物、铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料作为负极活性材料用于锂离子电池，具有容量高、循环稳定性好的优点。

技术领域

本申请涉及铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料，及其在锂离子电池中作为负极活性材料的应用，属于锂离子电池能源领域。

背景技术

能源危机与环境污染共同威胁着人类社会的生存和发展，新型的能源开发迫在眉睫，太阳能、风能、地热、生物能源以及电池类储存器件等成为了新型能源关注的焦点。其中，电池等储能器件充当着能量储存与释放的双重重要角色，是电动汽车、手机、手提电脑、航空航天设备以及军用电子设备的核心部分，能量密度高、循环性能好、环境友好的新型电池才能满足高效快速的动力需求，因此开发新型、高效、廉价的电极材料成为锂离子电池研究的热点课题之一，负极是锂离子电池的重要组成部分，负极活性材料对锂离子电池的电化学性能有着重要的影响。传统的锂离子电池负极材料主要包括碳材料、硅及其复合负极材料、锡及其复合负极材料、各种过渡金属氧化物及其复合负极材料、钛酸锂等。碳类负极材料目前已经实现商业化，但是在低温环境中碳类负极的电化学性能较差，过渡金属氧化物用作锂离子电池负极材料时循环稳定性较差，容量衰减较快；而锡基和硅基作为锂离子电池负极材料在进行脱嵌锂反应时会产生高达300％的体积膨胀，从而导致该类材料具有较大的容量衰减和较差的容量保持率。因此上述传统的锂离子负极材料主要存在嵌锂电位、比容量低和循环稳定性差等方面的问题，不能很好应用于锂离子电池体系中。因此，开发高比能量、长循环寿命、廉价型锂离子电池负极材料成为锂离子电池研究的热点课题之一。

作为一种有机无机杂化配位的超分子材料，以有机配体分子和金属离子链接组成的具有三维网络结构的金属有机骨架(Metal-Organic Framework简写为MOF)材料由于具有种类繁多、孔道结构可调控、高的比表面积以及特殊的活性中心、价格低廉等特点，已经被广泛应用于气体的分离、储存、催化剂负载、药物的缓释以及磁学、光学等方面，越来越得到人们的关注，近年来，随着环境问题的不断加剧，新型能源材料尤其是锂离子电池材料的不断开发，MOF材料具有高的比表面积、可控的孔道结构和尺寸以及较低的密度等性质，这些特性有利于电化学反应、界面电荷传输以及缩短电荷传递路径等，因此将其应用于燃料电池、锂离子电池以及超级电容等领域，逐渐得到能源领域研究者的广泛关注，并取得了较多的进展。铁基金属有机骨架化合物具有较高的容量，而且三价铁属于硬路易斯酸，与羧基的结合能力较强，因此结构稳定性较高，是一类新型的有机负极材料，但是由于MOF材料本身较低的电导率，限制了锂离子在其中的脱嵌效率，导致其活化作用时间较长，无法满足快速充放电的需要，因此需要与导电性较好的材料复合改善其特性。由于石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的材料，具有量子霍尔效应、高的理论比表面积(2630m²/g)和低电阻率(10^-6Ω/cm)等优点，将其与Fe基MOF材料复合，则将具兼有两者的优势，因而具有很好的电化学性能。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料，将铁基金属有机骨架化合物MOF材料原位生长于石墨烯片层结构上，形成石墨烯复合的铁基MOF材料。石墨烯的加入能够提高材料的导电性和稳定性，铁基MOF材料能够提供较多的活性位点，而且孔径结构较多，结构稳定性较好，有利于锂离子的插入和脱出。所述铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料作为负极活性材料用于锂离子电池，具有高比容量和优良的倍率性能等优点。。

所述铁基金属有机骨架化合物/石墨烯复合材料，其特征在于，所述铁基金属有机骨架化合物由有机羧酸R(COOH)_n和铁离子Fe³⁺形成，n≥2，R选自脂肪烃分子上失去任意n个氢原子形成的基团、芳香烃分子上去任意n个氢原子形成的基团、氨基取代的脂肪烃分子上失去任意n个氢原子形成的基团、氨基取代的芳香烃分子上失去任意n个氢原子形成的基团。