[发明专利]锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。首先通过水热反应制备出纯相的三氧化二铁（Fe₂O₃），接着先后在三氧化二铁外包覆一层二氧化硅和碳层，然后借助刻蚀掉二氧化硅使材料形成一种蛋黄壳结构，最后在碳层外包覆一层四氧化三锰形成具有蛋黄壳结构的三氧化二铁/碳/四氧化三锰纳米复合材料。碳壳在促进电子传输的同时，与三氧化二铁核之间的空腔为减轻结构应变提供了额外的自由空间，减小了大体积变化导致的壳层破坏，从而保持结构完整性。在碳层的四氧化三锰纳米材料以缓冲应力应变并与三氧化二铁和碳层的协同作用增强了杂化材料的动力学特性，表现出优良的性能。该材料应用于锂电池负极材料时，表现出良好的充放电容量以及循环稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料制备领域，特别涉及一种蛋黄壳结构复合材料的制备方法，尤指一种锂离子电池负极材料的制备方法。通过先后在表面包覆碳层和四氧化三锰来提高三氧化二铁作为锂电池负极材料的充放电容量以及循环稳定性。

背景技术

环境问题的日益严重和对寻找可持续能源的渴望激发着人们不断地开发高性能、清洁和可再生能源储存装置。可充电锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、低自放电、无记忆效应和环境友好性等优点，在各种便携式电子设备以及新能源汽车等储能装置中得到了广泛应用。目前商业化的阳极材料是石墨碳，具有良好的循环稳定性，但理论容量相对较低(理论比容量为372 毫安时每克)。因此，寻找合适的高性能阳极材料来替代目前商业化的石墨化锂离子电池材料是很有意义的。金属氧化物具有比容量高、易于大规模制备等优点，长期以来一直被认为是潜在的锂离子电池阳极候选材料。然而在应用于锂离子电池负极材料时，过渡金属氧化物存在一些不足，如锂离子插入/萃取过程中电导率有限，离子输运动力学差，以及电化学反应过程中大量的体积膨胀和收缩导致金属氧化物的粉化和聚集从而缩短了循环寿命等，成为了需要解决的问题。

作为金属氧化物的一员，三氧化二铁由于其具有较高的理论容量(1007毫安时每克)、天然丰富度和环境友好性而引起了人们的广泛兴趣。如在现有技术““Core-shellMn₃O₄ nanorods with porous Fe₂O₃ layer supported on graphemeconductivenanosheets for high-performance lithium storage application”，Wang et al.,Composites Part B: Engineering,Volume 167, 15 June 2019, Pages 668-675”中提到四氧化三锰和三氧化二铁复合之后，其交联结构和协同效应都有助于提高锂离子电池的贮锂性能和动态特性，可提高其充放电容量和循环稳定性。如在现有技术““Robusterythrocyte-like Fe₂O₃@carbon with yolk-shell structures ashighperformanceanode for lithium ion batteries”Zheng et al.，ChemicalEngineering Journal，Volume 347, 1 September 2018, Pages 563-573”中提到三氧化二铁与碳形成复合材料之后，提升了整体的导电性，同时在恒流充放电容量以及倍率性能上都得到了明显改善。虽然两种技术所制备出的三氧化二铁及其复合物相对于商业石墨均具有更高的充放电容量，但是其仍有待于进一步的提升。目前仍须解决的就是提升三氧化二铁的循环稳定性以及放电比容量较低的问题。

发明内容