[发明专利]一种高安全性能锂离子电池负极材料及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池负极材料及其制备与应用，所述负极材料的组成为稀土‑过渡金属簇合物；所述负极材料呈现纳米片状结构，且纳米片之间相互交织，所述纳米片大小为10‑200nm。本发明的稀土‑过渡金属簇合物是首先通过溶剂热法得到，合成方法简便，耗能低。与传统锂离子电池电极材料不同的是，该化合物由于具有较大的磁热效应，获得的电极材料具有磁制冷特性。电池在充放电过程中，遇到突发的热失控情况；能够利用磁制冷达到使电池系统快速降温的作用，有效防止锂电安全事故的产生。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种制备稀土-过渡金属簇合物的方法及其作为负极材料在锂离子电池中的应用。

背景技术

能源的存储和利用在社会的发展中占据重要的地位，化石能源长期占据着能源结构中的主要位置，但同时化石能源也面临着资源短缺和环境污染的问题。寻找清洁的可再生能源是解决化石能源短缺和污染问题的有效手段，可再生能源的开发和利用也开始备受关注，但可再生能源在其开发利用过程中遇到了不连续、不稳定，并网难的问题。储能技术是解决其不连续、不稳定的问题的关键技术，也使得储能技术的发展成为可再生能源实用性的关键。在诸多的储能技术中，锂离子电池是目前发展较为成熟和完善的储能技术，因其具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电作用小等优点，被广泛地应用于各种便携式电子设备等动力电池中。

随着锂离子电池的普及应用，锂电安全性问题也日益凸显，尤其是随着近年来锂电作为动力电池的发展和应用，在探索锂离子作为动力电池的过程中也发生了一系列安全事故。

其实锂离子电池起火乃至爆炸的过程可以分为三个阶段，第一个阶段是由于电池过充，隔膜破裂等引起了一个放热；此时如果热量没有被及时耗散的话，会发生一系列的如SEI膜分解隔膜融化进而使电池产气和持续发热，最终就导致了起火爆炸。可以发现，如果能够在放热反应的初始阶段有效抑制温度上升就能够及时抑制安全事故的发生，我们很容易想到利用制冷手段来降温，但是目前的传统制冷技术受限于热传导不及时，制冷能力不足和难以实现温度实时调控，能否设计一种“自带制冷效果”的电极材料是科研人员一直想要解决的技术问题，磁致冷技术是可以解决这一问题的技术手段，熵是衡量物质混乱度的物理量，对于磁性材料而言，磁矩的无序化程度被称为磁熵，根据热力学第二定律，对于一个可逆过程，熵的变化会引起热量的变化，磁热效应就是指磁性材料在磁场强度改变时所发生的热效应，磁致冷技术就是利用磁热效应的一种制冷技术，在这个卡诺循环中，与传统的气体压缩制冷改变气体压强不同的是，这个过程变化的是磁场强度。稀土基材料是目前磁致冷研究的热点，因为稀土元素4f轨道上未成对电子数目多，有利于获得大磁矩的化合物，另一方面，丰富的电子构型使稀土离子拥有多样的配位环境，有利于合成多样的簇合物材料。

相比于稀土基材料，过渡金属基材料往往磁熵较低，但该类材料磁矩点接近室温，有利于开展室温磁制冷的研究，为解决过渡金属元素磁矩过低导致的磁熵较低的问题，研究者设计合成了一类稀土过渡金属簇合物，这类簇合物一方面弥补了过渡金属配位环境单一的问题，有利于合成高核簇合物，另一方面也增大了材料的磁熵，也使得材料的磁有序温度接近于室温，是很有应用前景的磁致冷材料。比如，有研究者以醋酸根为配体，Cl^-和NO^3-作为混合阴离子模板合成了一系列管状结构的稀土过渡金属簇合物，表现出优异的磁制冷性能。

但是目前公开报道的磁制冷材料由于其锂离子传导率低，比容量不高等问题无法直接作为锂离子电池电极材料使用。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，通过对组分和方法的优化，利用溶剂热法制备一种稀土-过渡金属簇合物的磁制冷材料，并将其作为锂离子电池电极材料使用。

本发明具体采用的技术方案如下：

本发明提供一种锂离子电池负极材料，负极材料的组成为稀土-过渡金属簇合物；所述负极材料呈现纳米片状结构，且纳米片之间相互交织，所述纳米片大小为10-200nm。