[发明专利]一种导电三元复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种导电三元复合材料及其制备方法和应用，属于无机杂化功能材料技术领域。将BC膜浸泡于FeCl₃水溶液中，通过原位水解法将含铁类活性物质前驱体负载于BC纤维表面，形成水解复合材料；利用氧化聚合法将PEDOT包覆在水解复合纳米材料表面，形成PEDOT包覆的纳米纤维复合材料；最后经高温碳化得到导电三元复合材料。本发明在仅使用FeCl₃作为铁源时将含铁类物质原位复合到BC纳米纤维表面，在接近室温的环境下进行，该过程便捷、环保，符合绿色化学的理念，最终获得了高比容量和高循环稳定性的锂离子电池负极材料。本发明所使用的纤维素包括但不限于细菌纤维素，也包括其它植物纤维素和动物纤维素及它们的衍生物。

技术领域

本发明属于无机杂化功能材料技术领域，具体涉及一种导电三元复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前商用的锂离子电池负极材料主要是石墨，但是石墨的理论比容量仅为372mAhg^-1，这极大限制了锂离子电池的广泛应用。因此，寻找高理论比容量、循环稳定性好的锂离子电池负极材料成为了广大科研工作者的研究重点。有研究表明，过渡金属氧化物或硫化物具有较高的理论比容量。基于过渡金属Fe的氧化物或硫化物由于电化学稳定性高、廉价易得、环境影响小等原因从而吸引了相关研究人员的广泛关注。但是金属Fe的氧化物或硫化物存在电子导通能力不佳、脱/嵌锂过程中体积变化较大、高温环境下易发生晶体融合等问题。因此，在用作锂离子电池负极材料使用时电池的循环稳定性和电池比容量往往难以令人满意。

细菌纤维素(BC)作为一种高纯度的生物质纳米纤维材料具有如下优点：丰富的羟基官能团、较大的比表面积、超高的孔隙率、良好的柔韧性能、绿色环保等。碳化细菌纤维素(CBC)继承了其前驱体(BC)三维纳米网状结构、较大的比表面积和孔隙率，同时还具有良好的导电性、较好的柔韧性等特点。将其应用于电极材料的制备中，将有利于推进锂离子电池的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供了一种导电三元复合材料的制备方法，该制备方法借助Fe³⁺与纤维素羟基之间的配位螯合作用通过水解反应实现含铁类物质在纤维素表面的均匀担载，然后借助EDOT进行氧化聚合，再进一步经过碳化得到该导电三元复合材料。本发明要解决的另一个技术问题是提供一种导电三元复合材料，该材料为类“三明治”结构的导电三元复合材料，其中内层为CBC导电骨架、中间层为含铁类活性物质、外层为碳膜包覆层。本发明要解决的技术问题还有一个是提供一种三元导电复合材料的应用，所制备的三元导电复合材料作为自支撑负极用于高性能锂离子电池中，可以缓解充/放电过程中活性物质的体积形变，防止材料发生粉化；还能够起到稳定固态电解质(SEI)膜的重要作用，改善电池的循环稳定性。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种导电三元复合材料的制备方法，将BC膜浸泡于FeCl₃水溶液中，利用BC暴露出的大量羟基与Fe³⁺之间形成配位键，这种螯合作用在大量去离子水存在的环境下通过原位水解过程将含铁类活性物质前驱体负载于BC纤维表面，形成水解复合材料；利用氧化聚合法将3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)的聚合物(PEDOT)包覆在水解复合纳米纤维表面，形成致密的包覆层，得到PEDOT包覆的纳米纤维复合材料；最后经过高温碳化得到导电三元复合材料。

具体包括以下步骤：

(1)将FeCl₃溶解于去离子水中形成FeCl₃水溶液，将BC膜置于所述FeCl₃水溶液中，放在冰箱中静置12～48h；

(2)将充分浸润FeCl₃的BC水凝胶取出，放入去离子水中进行原位水解反应，反应过程中需更换使用新鲜的去离子水，直至去离子水完全无色透明，使含铁类活性物质前驱体沉积在纤维素纳米纤维表面，反应结束得到水解复合水凝胶材料；