[发明专利]石墨烯/过渡金属磷化物/碳基复合材料、制备方法及锂离子电池负电极

说明书

本发明提供了一种石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料、制备方法及锂离子电池负电极，所述石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料中过渡金属铁、钴或镍与磷形成的化合物。在该复合材料中以石墨烯为基体，以具有良好纳米结构的过渡金属磷化物纳米颗粒为负载，构筑石墨烯/过渡金属磷化物复合材料；同时利用无定型碳对复合材料进行包覆、填充、连接等修饰，得到石墨烯/过渡金属磷化物/碳三元纳米复合材料。具有的高导电性、优异的多级结构。本发明所述的石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料制备的动力锂离子电池负极时，由于将比容量较高、导电性好的过渡金属磷化物与石墨烯及碳材料结合在一起，使得其兼具高容量、高倍率、高循环稳定性的特点。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其是一种石墨烯/过渡金属磷化物/碳基复合材料、制备方法及锂离子电池负电极。

背景技术

汽车与人类发展面临能源危机和环境保护两个问题休戚相关，为了高效节能和低排放，目前汽车正进入电动化技术发展阶段。而与此同时，新能源汽车的蓬勃发展，对动力电池提出了新的挑战与高的要求。动力电池作为新能源汽车的心脏，其寿命和性能的发挥直接影响到电动车的使用成本、安全性和续驶里程等关键因素。锂离子电池因具有工作电压高、比能量大、循环性能好、工作温度范围宽、安全无记忆效应等优点，广泛应用于新能源汽车储能领域，同时也面临着越来越大的挑战。开发高比容量、高功率、长循环寿命和低成本锂离子电池成为其发展的主要方向。电极材料是锂离子电池体系的核心，其中负极材料更是提高锂离子电池能量及循环寿命的重要因素。目前，商业化的负极材料大多为石墨类材料。该类负极材料具有良好的充放电平台和结构稳定性，但其实际放电比容量(约为330mAh/g)已接近其理论值(372mAh/g),无法满足新一代锂离子电池的需求。因此，开发新型的高比容量负极材料至关重要。

过渡金属磷化物是过渡金属与磷形成的化合物，按照元素的化学计量比可分为富金属磷化物(M/P1)，单磷化物(M/P＝1)和富磷磷化物(M/P1)。在该类化合物中，磷原子的掺入使得金属原子间的距离相对于金属略有增加，从而减弱了原子间相互作用，导致金属的d带收缩，造成费米能级附近态密度有所增加。因此，过渡金属磷化物具有类似贵金属的特性。近年来，过渡金属磷化物作为锂离子电池负极材料，引起了国内外研究人员的关注。其充放电机制可表示为：MP_x+3xLi—M+xLi₃P，即利用Li₃P的转换反应，实现锂离子的储存和释放。这类负极材料具有以下优点：(1)理论比容量高。(2)充放电过程极化较小，电极反应可逆性较好；(3)导电性好。富金属磷化物和单磷化物导电性甚至接近于纯金属；(4)平台电压较为适中，往往在1.2V以下，低于Li₄Ti₅O₁₂负极(～1.55V)。因此，这类材料有潜在的作为锂离子电池负极材料的可能性，但这方面的研究目前还非常少。

发明内容

针对现有动力锂离子电池负极材料中存在的一些问题，本发明提出一种用于制备动力锂离子电池负极材料、且充放电容量高、循环性能好的石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料及其制备方法，同时还提供了一种由所述石墨烯/过渡金属磷化物/碳基复合材料制成的锂离子电池负电极。

石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料，其特征在于：以片状石墨烯为载体，颗粒状过渡金属磷化物为负载，构筑成石墨烯/过渡金属磷化物复合材料；无定型碳包裹在过渡金属磷化物表面以及填充于石墨烯片之间，构成连续的导电网络。

进一步地，所述过渡金属磷化物为磷化铁、磷化钴或磷化镍。

所述的石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)称取石墨烯、过渡金属盐、有机碳源或无机碳源，然后溶解在蒸馏水中，形成金属离子浓度为0.01mol/L-0.1mol/L的溶液，控制最终产物中总碳的含量为3～10wt％；