[发明专利]一种过渡金属氧化物包覆碳纤维负载金属纳米粒子的具有多级纳米结构的复合电极材料

说明书

一种负载过渡金属纳米粒子和过渡金属氧化物的具有多级纳米结构的碳纤维复合电极材料CNF@M_xO_y@M₁，属于锂电池制备技术领域。其是通过用海藻酸钠包覆聚丙烯腈纤维(PAN)，通过将其与过渡金属离子的配位反应生成PAN‑过渡金属海藻酸盐前驱体，通过控制加热温度在惰性气体保护下灼烧可获得具有沟槽结构的CNF@M_xO_y复合材料，通过与金属粉球磨得到具有多级纳米结构的复合电极材料。本发明具有制备成本低廉、大量制备、比容量高、循环稳定性好、不易分解等优点。如在200mA充放电条件下经过100个循环后比容量仍可达542.8mAhg^‑1。其中，M代表过渡金属，为Sn、Fe、Co、Ni、Mn或Zn，x为1～3的整数，y为1～4的整数，M₁为Fe、Co或Ni。

技术领域

本发明属于锂电池制备技术领域，具体涉及一种过渡金属氧化物包覆碳纤维负载金属纳米粒子的具有多级纳米结构的复合电极材料(CNF@M_xO_y@M₁)。

背景技术

全球变暖和传统化石能源枯竭已成为当今世界面临的主要危机。这两大危机产生的直接后果是以雾霾为代表的环境污染。详细的分析数据表明燃煤和机动车尾气是京津冀地区空气污染的主要元凶。随着国家对环境保护重视程度的提高及全民环保意识的日益增强，以电动汽车为代表的新能源汽车成为实现国家能源战略保障和环境保护的重要组成部分。锂离子电池具有体积小、比能量高、循环寿命时间长、无记忆效应、成本低及环境友好等优点，已成为新一代绿色二次电池的代表，在国防、航空航天、通讯、便携式电子产品及电动汽车等领域具有广泛的应用前景，一直备受人们关注。然而，当前锂离子电池的正负极材料的比容量还比较低(正极磷酸铁锂：170mAhg^-1，负极石墨：370mAhg^-1)，无法满足电动汽车等领域所需动力电池的大容量要求。发展具有高比容量、循环稳定性好的新型电极材料是提高电池性能的关键，是目前锂离子电池领域中的重要研究方向。金属氧化物纳米结构具有比容量高、环境友好及安全性高等特点，一直是锂离子电极材料领域的主要研究方向。但金属氧化物纳米结构的一些内禀缺陷(如：导电率差、循环稳定性差、制备成本高)极大地制约了以金属氧化物为电极材料的锂电池的大规模工业化生产及应用。

电极材料的组成及结构与锂离子电池的电化学性能具有密切关系。快速充、放电要求材料具有良好的导电性，电池的长期应用要求电极材料具有较高的循环稳定性，电池的大规模工业化生产需要制备成本低廉。一般来说优化材料组成和结构可以有效提高材料的导电性。以碳纤维为芯，以具有沟槽结构金属氧化物和硫化物为壳的多级复合结构制备的复合电极材料可以有效提高电极材料的电导率及循环稳定性。Li研究组(ACSAppl.Mater.Interfaces.2016,8,30256.)通过在碳纤维上包覆SNS和SnO₂再在其外面包覆一层碳，在1.0Ag^-1的电流密度下具有较高的比容量。此外，电极材料的组成和结构与电化学性能密切相关。近年来，大量研究显示小尺寸的纳米粒子、材料的多孔结构及多组分复合一维纳米结构可以有效提高电极材料的比容量、循环稳定性及倍率性。例如，北京大学的Qi研究组(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,933.)利用溶剂热技术成功地合成出介孔TiO₂，有效地改善了材料的循环稳定性及比容量。韩国先进技术研究院Kim等人(ACS Nano 2016,10,11317.)成功地制备出用银纳米粒子修饰电纺技术制备SnO₂/NiO纳米管，极大地提高了电池的比容量。

上述研究结果充分展示了碳纤维@金属氧化物@金属离子具有多级纳米结构，在锂电池研究领域的诱人前景。但是，高效、低廉合成这种具有高比容量、长循环寿命的多级复合电极材料还很少见。

发明内容