[发明专利]一种氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物三维纳米锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年里，锂离子电池由于其高能量密度、高工作电压和长的循环寿命被科学工作者广泛深入的研究，并且在现代人们的生活中越来越重要。当前商业上用的正极材料是通过插层反应的LiCoO₂ 和 LiFePO₄，但是它们的容量有限，很难满足快速发展的电动汽车和移动设备的需求。铁基氟化物由于其高的比容量和高的工作电压，是一类极具前景的正极材料。在2000年左右，Arai等人和Badway等人将其用作锂电池正极材料以来，氟化物一直被持续研究。其中，FeF₃具有超高的理论容量（712 mAh/g,基于三电子转换反应）和与较高的工作电压(2-3 V),受到最多的关注。另外，地球上铁资源丰富，铁基氟化物环境兼容性良好以及成本低廉。

但是铁基氟化物却并没有应用与商业上，这主要是F的电负性较强，导致Fe-F的能带较宽，从而铁基氟化物导电性较差，锂离子传输性能欠佳。碳包覆是一种非常有效的改良材料性能的方法，可以提高纳米材料的电子导电性和离子传导性，增大材料的比表面积，使活性材料充分与电解液接触，提高反应位点，充分利用活性材料。杂原子掺杂可以显著提高碳基材料的电化学性能，尤其是氮的掺杂被广泛深入的研究，其不仅可以提高材料的导电性，而且可以增加材料与有机电解液的润湿性。明胶是一种非常丰富的生物质，成本低廉，重要的是其生物分子结构中富有氮元素，从而明胶是一种理想的氮掺杂多孔碳的前躯体。

现有技术中有用离子液体制备了碳纳米管连接的铁基氟化物(Fe₂F₅·H₂O@SWNT)，他的具体方案是：

第一步：将一定量碳纳米管在50 ℃分散于10 mL BmimBF₄离子液体中，搅拌1 h；

第二步：加入1 g的九水合硝酸铁；

第三步：在50 ℃条件下搅拌反应12 h；

第四步：离心洗涤收集出沉淀物，在80℃干燥20 h；

该方法是用离子液体制备了碳纳米管链接的铁基氟化物(Fe₂F₅·H₂O@SWNT)，其制备出来的材料在0.1 C（库伦）下容量仅为115 mA h g^-1。其原因在于：1、碳没有充分包覆在氟化铁的表面。由于碳含量较少约（5-10 %），且碳纳米管呈条带状，这导致了碳不能很好的包覆在氟化铁表面。氟化铁与电解液接触严重，副反应发生较多。2、由于其使用碳纳米管未有杂原子掺杂，性能可能会受影响；3、最后离心得到的材料未低温热处理，表面会有残留的离子液体，影响电化学性能。最终导致该材料在1 C（库伦）下容量仅为120 mA h g^-1，0.1 C（库伦）仅为140-160 mA h g^-1。

综上所述，采用上述方法制备出来的氟化铁/碳复合材料存在如下缺陷：

1、制备出来的氟化铁/碳复合材料在0.1 C（库伦）仅为110-150 mA h g^-1，容量很低。

2、其材料倍率性能差，不利于大电流的充放电。

因此，开发出一种具有容量高、倍率性能好、使用寿命长的锂离子电池正极材料是十分必要的。

发明内容

为了克服上述现有锂离子电池材料存在的各自的缺陷，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物三维纳米锂离子电池正极材料，该锂离子电池材料具有容量高、倍率性能好、使用寿命长的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物三维纳米锂离子电池正极材料，其特征在于：所述含有三维氮掺杂多孔碳包覆氟化铁纳米材料，用氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物。

本发明还提供了一种制备上述氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物三维纳米锂离子电池正极材料的方法，该方法制备出来的氮掺杂多孔碳负载铁基氟化物三维纳米锂离子电池正极材料在低倍率下能够达到很高的容量，倍率性能好，使用寿命长，该方法具体为：