[发明专利]一种金属氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种金属氧化物复合材料及其制备方法和应用，所述金属氧化物复合材料含有乙炔黑空心纳米球，所述乙炔黑空心纳米球的内部封装有金属氧化物。本发明通过利用已工业化的、导电性性极好的导电碳乙炔黑直接作为碳源形成空心碳球封装金属氧化物，可用作高性能锂离子电池的负极材料，表现出高可逆容量和优良的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂电池材料技术领域，尤其涉及一种金属氧化物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子产品快速发展，对高比容量的新型电极材料和简易的低成本制备方法的需求显得日益紧迫。近年来，锂离子电池(LIBs)一直是推动便携式电子技术蓬勃发展的主力。在可充电锂离子电池领域，常用石墨、硬碳等碳材料作为负极材料。然而，碳的理论比容量较低，限制了其发展。与目前的商业电极材料相比，Fe₂O₃由于其理论电荷容量大、可用性广、无毒等特点引起了人们的广泛关注。Fe₂O₃的理论容量高达1007mA h/g，远高于目前使用的石墨(372mAh/g)。原则上，Fe₂O₃的储锂容量主要通过Li⁺与Fe₂O₃之间的可逆转化反应来实现，在反应过程中形成嵌在Li₂O基体中的Fe纳米粒子(NPs)。然而，这种转化反应通常会引起剧烈的体积变化和严重的结构损坏，从而导致Fe₂O₃容量衰减快，循环性差。此外，Fe₂O₃的低电导率和缓慢的电极动力学也非常不利于其储锂。

纳米Fe₂O₃结合碳包覆策略已被大量研究，以提高含Fe₂O₃的LIBs电极的容量保留稳定性和电导率。纳米Fe₂O₃结合碳包覆得到的纳米复合材料具有巨大比表面积可以缩短电子/离子的输运路径，显著降低体积膨胀，而且纳米复合材料中的碳组分可以为电子/离子的急剧膨胀提供足够的缓冲，并对电子导电性做出显著贡献。碳包覆层避免了活性相与电解液的直接接触，从而防止了电解液的连续分解，因此可以提高电极的循环稳定性。Chai等人以葡萄糖为碳源，采用两步合成Fe₂O₃@C纳米球，其放电容量在0.1A/g经过20次循环后为826.2mAh/g。Zhang等以间苯二酚甲醛树脂溶液，采用气溶胶喷雾热解技术制备了三维多孔Fe₂O₃@C纳米复合材料。该电极的可逆容量即使在高电流密度2A/g经过1400循环为358mAh/g。

尽管碳包覆Fe₂O₃@C的研究取得了很大的进展，但是在大多数情况下，Fe₂O₃@C的生产方法往往需要一个复杂的实验过程，需要先制备Fe₂O₃纳米颗粒，然后再涂覆碳壳，不可避免地会出现Fe₂O₃严重聚集和碳涂层不均匀的问题。碳前驱体在碳涂层中广泛应用，由于碳包覆过程中使用了葡萄糖、油酸、乙二醇或离子液体等碳质源，导致产品的复杂性，其热分解会产生挥发性有机物CO和CO₂，造成环境问题，而且碳层的石墨化程度一般不高，对复合材料的结构和性能造成不利的影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属氧化物复合材料，具有比容量高、循环性能和倍率性能优良的特点。

同时，本发明还提供所述金属氧化物复合材料的制备方法及其应用。

具体地，本发明采取的技术方案如下：

本发明的第一方面是提供一种金属氧化物复合材料，所述金属氧化物复合材料含有乙炔黑空心纳米球，所述乙炔黑空心纳米球的内部封装有金属氧化物。