[发明专利]过渡金属氧化物负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了过渡金属氧化物负极材料及其制备方法和应用。其中，过渡金属氧化物负极材料包括主体材料和碳包覆层，所述碳包覆层形成在所述主体材料的至少一部分表面上，所述主体材料为掺杂过渡金属单质的过渡金属氧化物。该负极材料通过在过渡金属氧化物中掺杂过渡金属单质来提高负极材料的结构稳定性、热稳定性、倍率性能和循环性能，并通过碳包覆来缓解充放电过程中的材料膨胀，从而进一步提高负极材料的结构稳定性和循环性能。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体而言，涉及过渡金属氧化物负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的进步与发展，锂离子电池的能量密度的不断提升，对正负极材料克容量的要求越来越高，目前，传统的石墨负极材料理论比容量为372mAh/g，已不能满足新一代高比容量电池负极材料的需求，为此，开发新型高比容量锂离子电池负极材料迫在眉睫。过渡金属氧化物拥有高的放电比容量，但由于存在首次效率低、倍率性能差和循环性能差等问题，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出过渡金属氧化物负极材料及其制备方法和应用。该负极材料通过在过渡金属氧化物中掺杂过渡金属单质来提高负极材料的结构稳定性、热稳定性、倍率性能和循环性能，并通过碳包覆来缓解充放电过程中的材料膨胀，从而进一步提高负极材料的结构稳定性和循环性能。

根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种过渡金属氧化物负极材料。根据本发明的实施例，该负极材料包括主体材料和碳包覆层，所述碳包覆层形成在所述主体材料的至少一部分表面上，所述主体材料为掺杂过渡金属单质的过渡金属氧化物。

发明人发现，利用过渡金属氧化物作为负极材料使用时，在过渡金属氧化物中掺杂过渡金属单质可以显著提高负极材料的结构稳定性、热稳定性、倍率性能和循环性能，具体地，将过渡金属单质嵌入到过渡金属氧化物纳米颗粒的结构能够在循环过程中限制过渡金属氧化物纳米颗粒的移动和团聚，并更好的适应其在氧化还原反应中产生的体积膨胀和收缩；并且当放电倍率较高时，对负极材料导电性要求较高，通过在过渡金属氧化物中掺杂过渡金属单质可以显著提高电子的传导效率，提高负极材料的导电性，从而显著提高材料的倍率性能和循环性能。此外，通过在掺杂过渡金属单质的过渡金属氧化物表面形成碳包覆层，不仅可以有效避免掺杂的过渡金属单质被氧化，还可以进一步缓解负极材料在充放电过程中的体积膨胀，从而进一步提高负极材料导电性、结构稳定性和循环性能。与现有负极材料相比，本发明上述实施例的过渡金属氧化物负极材料具有较好的结构稳定性、热稳定性、倍率性能和循环性能。

另外，根据本发明上述实施例的过渡金属氧化物负极材料还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，以所述主体材料为基准，所述过渡金属单质的掺杂量为2～5mol％。

在本发明的一些实施例中，所述主体材料中，所述过渡金属单质为选自镍、钴和锰中的至少一种，所述过渡金属氧化物具有的过渡金属元素为选自镍、钴和锰中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述主体材料中，所述过渡金属单质与所述过渡金属氧化物具有的过渡金属元素种类不同。

在本发明的一些实施例中，所述碳包覆层的厚度为5-10nm。

在本发明的一些实施例中，所述碳包覆层为选自导电炭黑、石墨烯、乙炔黑和碳纳米管中的至少一种形成的。

根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述过渡金属氧化物负极材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)在氩-氢混合气氛下对过渡金属盐进行高温焙烧处理，以便得到主体材料，所述主体材料为掺杂过渡金属单质的过渡金属氧化物；

(2)将所述主体材料与碳源和溶剂进行混合；