[发明专利]自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜及其制备方法和应用、一种电池

说明书

本发明涉及自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜及其制备方法和应用、一种电池，包括如下步骤：(1)将过渡金属化合物、羧酸盐溶于多元醇中，搅拌均匀后，加热并回流，然后冷却获得过渡金属醇盐前驱体；(2)将得到的所述过渡金属醇盐前驱体采用有机溶剂清洗后，均匀地分散在所述有机溶剂中形成前驱体分散液，然后进行有机溶剂蒸发处理，在有机溶剂蒸发的过程中自组装获得自支撑过渡金属醇盐前体薄膜；(3)将所述前体薄膜与磷源分别放入两容器中，在保护气体气氛下进行加热分解同时磷化，最后原位转化获得自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜，将该薄膜直接作为电极片应用于锂离子电池或钠离子电池中。

技术领域

本发明涉及离子电池技术领域，具体涉及自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜及其制备方法和应用、一种电池。

背景技术

近年来，随着电动汽车、无人机、无线电通讯、医疗器械和便携式电子器件等精密装置对小尺寸电源需求日益增长，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。在锂离子电池各组成部分中，负极的容量对于锂离子电池能量密度起到重要作用。但是，传统粉末负极材料制备负极过程中需引入大量非电化学活性导电剂和粘结剂，导致制作过程繁琐费时、负极中活性材料含量降低和内阻增加，进而显著降低负极的实际容量、倍率性能和循环寿命。大量研究表明：无添加剂自支撑负极材料是避免使用导电剂和粘结剂，提高负极能量密度，同时保证良好导电性、锂离子扩散能力和结构稳定性的有效途径，具有满足小尺寸锂离子电池市场需求的潜力。

由于传统商业化石墨类负极活性材料理论容量过低(仅372mAh·g^-1)，而过渡金属磷化物(TMPs，M＝Fe，Ni，Co，Cu等)凭借其高理论容量(500mAh·g^-1以上)、高反应活性、低反应电位、安全性以及低成本等特点成为极具吸引力和发展前景的负极活性材料之一。此外，TMPs的电化学反应产物具有比其他转化型活性材料如氧化物、硫化物的反应产物更高的离子电导率(例如室温下Li₃P：10^-4S cm^-1，Li₂O：5×10^-8S cm^-1，Li₂S：10^-13S cm^-1)，从而利于保持负极材料的高循环可逆性。

基于高理论容量TMPs构筑自支撑TMPs/碳复合负极材料可有效提升锂离子电池能量密度，但自支撑TMPs/碳复合负极材料的实际应用仍面临着“瓶颈”：TMPs的低电子电导率以及充放电过程中巨大体积膨胀(＞200％)导致的低倍率性能和低循环寿命。因此，自支撑TMPs/碳复合负极材料必须具有有效的电子传输网络/离子扩散通道及TMPs活性材料稳定载体等多重功能才能发挥出TMPs活性材料高理论容量的优势。遗憾的是，传统自支撑TMPs/碳复合负极材料构筑方案仍面临着复合方式不合理、复合结构粗糙、制备流程繁琐、成本高以及结构调控能力弱等难题。因此，如何简单有效地同时实现碳自支撑框架的致密均一以及TMPs活性材料的稳定复合和高效利用是实现高倍率性能、高循环寿命电池的关键问题。

发明内容

为了解决如何简单有效地同时实现碳自支撑框架的致密均一以及TMPs活性材料的稳定复合和高效利用的技术问题，而提供自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜及其制备方法和应用、一种电池。本发明方法能够同时实现碳自支撑框架的致密均一以及TMPs活性材料的稳定复合和高效利用。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

自支撑过渡金属磷化物/碳复合材料薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将过渡金属化合物、羧酸盐溶于多元醇中，搅拌均匀后，加热并回流，然后冷却至室温，获得过渡金属醇盐前驱体；

(2)将得到的所述过渡金属醇盐前驱体采用有机溶剂清洗后，均匀地分散在所述有机溶剂中形成前驱体分散液，然后进行有机溶剂蒸发处理，在有机溶剂蒸发的过程中自组装获得自支撑过渡金属醇盐前体薄膜；