[发明专利]一种碳包覆Fe4

说明书

本发明提供了一种用于锂离子负极材料的碳包覆Fe₄N纳米复合材料、制备方法及其应用。所述碳包覆Fe₄N纳米复合材料的尺寸为30‑100nm，碳包覆层的厚度为5‑10nm。方法包括：将双氰胺与FeCl₃·6H₂O溶解得到均匀混合的溶液，加热蒸干水分得到双氰胺与FeCl₃·6H₂O的混合物，在管式炉内升温反应，冷却后得到Fe₄N粉末，采用葡萄糖包覆Fe₄N粉末，经碳化后得到碳包覆Fe₄N纳米复合电极材料。该方法制备成本低，工艺简单，制备得到的碳包覆Fe₄N纳米复合材料形貌均一，用于锂离子负极材料，具有良好的储锂性能、循环寿命和倍率性能。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池负极材料的碳包覆Fe₄N纳米复合材料、制备方法及其在锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

锂离子电池由于其高能量、高功率密度、高安全性和环境友好等特点已经被广泛用于移动电子设备储能等领域。目前，对于锂离子电池的研究正朝着高能量或功率密度、较好的低温性能以及高倍率性能的动力电池材料的方向发展。现有的锂离子电池负极材料主要是碳负极材料，但是由于商业石墨负极的理论容量较低(372mAh/g)、较差的倍率性能、在首次充放电形成的S EI膜(固体电解质膜)极大造成容量的损失和容易引发安全问题等缺点，极大限制了在高功率密度型动力电池领域的应用。为了开发一种高能量密度且高安全性锂离子电池负极材料来满足高功率型动力电池的需求，实现较高的经济效应、社会效益以及国家的发展战略部署，所以迫切需要寻找石墨负极材料的替代品。新型电极材料的探索对于开发具有高容量和优异稳定性的可充电锂离子电池至关重要。目前石墨负极材料的替代品包括改性石墨、Si基材料、Sn基材料和M_nX_m型(M是过度金属，X是非金属包括O、S、N、P、B或者聚合物)材料。对于M_nX_m型材料的储锂机理为活性材料部分或完全可逆分解成M⁰和相应的锂盐，其中可以简单地表示为

过渡金属氮化物由于其具有优异的电化学性能、高化学稳定性而有望应用于动力电池负极材料中。过渡元素(IIIB-VIII族)的具体电子结构的特征在于，价电子可以占据部分填充的d轨道，因为电子在4s和3d，5s和4d或6s 和5d之间的能量水平接近。当氮化物参与氧化还原反应时，产生多价态以有效地储存能量。然而到目前为止，作为活性材料的氮化物仍然远离实际应用，这是由于其较大的体积膨胀导致在循环电化学反应期间的容量快速衰减。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种碳包覆Fe₄N纳米复合材料、制备方法及其在锂离子电池负极材料的应用。通过将Fe₄N活性材料的尺寸减小到纳米级，缩短锂离子的扩散路径和存储时间并有效降低机械应力以适应不同体积的变化和改善电极材料的循环能力，并且，通过将Fe₄N活性材料与碳复合形成碳包覆结构，阻止其与电解液反应，保护活性物质Fe₄N，提高材料的稳定性，同时抑制其体积膨胀效应以及Fe₄N易团聚等缺点，并且，碳在循环嵌锂/脱锂过程中具有缓冲活性物质过量体积变化的作用，碳材料由于其自身的锂离子存储能力而对电池容量的提升有一定贡献，碳的复合提高了电极的导电性并且有助于将活性材料的氧化还原反应过程中产生的电子传递给集流体，从而提高了作为锂离子电池负极材料时的循环性能和倍率性能。

本发明采用如下技术方案：

一种碳包覆Fe₄N纳米复合材料，所述Fe₄N颗粒的表面具有碳包覆层，所述碳包覆层的厚度为5-10nm，碳包覆Fe₄N纳米复合材料的尺寸为30-100nm。