[发明专利]一种磷-金属聚酞菁/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种磷‑金属聚酞菁/碳复合材料及其制备方法和应用，其特征在于，所述复合材料是由红磷、金属聚酞菁和碳材料构成具有良好协同效应的磷‑金属聚酞菁/碳复合体系，其中，红磷作为活性中心，金属聚酞菁作为具有电化学储锂活性的电催化助剂，碳材料作为导电网络的基体材料。本发明的制备方法采用简便的高能球磨法，具有制备工艺简单，易规模化的特点，本发明的磷‑金属聚酞菁/碳复合负极材料，用作锂离子电池负极，具有较高的可逆比容量、良好的电化学循环性能以及结构稳定性，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及一种磷-金属聚酞菁/碳复合负极材料的制备方法和应用，属于锂离子电池领域。具体涉及一种金属聚酞菁改善红磷活性负极材料的制备方法和应用，一种可用作锂离子电池负极材料的可逆容量高、循环性能好的磷基复合负极材料。

背景技术

能源与人类社会的生存和发展密切相关。随着化石能源的日益枯竭，实现绿色可持续发展越发成为全人类的共同愿望和奋斗目标。化学电源作为具有代替化石能源潜力的新型能源，具有性能优异，使用方便，便于携带等优点，在社会各个领域越来越得到广泛应用。在常用的化学电源中，锂离子电池作为最有前途的电化学电池，已成为二次电池发展的主要方向。与其他二次电池相比，锂离子电池是一种新型绿色二次电池，具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、环境友好等优点，被广泛应用于各种便携式电子设备，电动汽车以及能源存储等领域。近年来，商业化的锂离子电池负极材料主要是以石墨为代表的碳材料，碳材料具有良好的循环性能，但是也存在理论容量低、高倍率充放电性能差等问题，限制了碳材料的发展。因此，开发高容量、长循环寿命、低成本的负极材料成为研究热点。

红磷在自然界中以非晶形式存在，廉价易得。红磷作为具有嵌锂活性且无毒的负极材料，符合绿色可持续发展的要求。此外，红磷作为锂离子电池负极材料具有较高的理论比容量(2596mAh g-1)，是一种拥有广阔前景的新型负极材料。但是红磷自身的缺点限制了其作为负极材料的应用，主要包括以下两个方面：(一)电子导电性差；(二)在脱嵌锂过程中体积膨胀严重。这两方面问题导致红磷负极材料库伦效率低，引起容量快速衰减，从而很大程度上限制了红磷负极材料在离子电池中的应用。

为缓解体积膨胀和改善导电性，提升红磷负极材料的电化学性能主要采用以下两种策略：第一，制备纳米结构红磷材料；第二，与导电性良好的碳材料结合。纳米化材料可以提供较高的比表面积并且缩短锂离子在材料中的扩散路径，能够有效提高红磷材料电化学性能。红磷与碳材料复合可以提高红磷的导电性，有效缓解循环过程中的体积膨胀，有效减缓活性物质的结构破坏。

金属聚酞菁是一种人工合成的金属大环类螯合物，该聚合物材料含有不同类型的过渡金属、氮原子、碳原子，具有类似石墨的π-π堆积结构，具有良好化学和物理稳定性，可以用作性能稳定的高效电催化剂，改善电子传输机制，提高红磷的电化学活性；还可以通过表面工程的路径将聚酞菁锚定于红磷表面，减少红磷与电解液的直接接触，提高磷基材料电极稳定性。

到目前为止，金属聚酞菁尚未用于锂离子电池电极材料中。本发明通过前期大量的系统性研究发现，在红磷材料中加入适量金属聚酞菁作为助催化剂，可以有效改善红磷的电化学活性，对提升红磷负极材料的性能具有开拓性的意义。

因此，有必要提供一种磷-金属聚酞菁/碳复合材料，用以改善碳材料或红磷材料或红磷与碳复合材料作为负极材料的电化学性能。

发明内容