[发明专利]一种CTAB调控制备多孔碳包覆过渡金属氧化物材料的方法及应用

说明书

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种CTAB调控制备多孔碳包覆过渡金属氧化物材料的方法，所述方法为使用十六烷基三甲基溴化铵改性多巴胺包覆过渡金属氧化物的包覆层，经高温碳化后，得到CTAB改性后的多孔碳包覆材料TMO@PNC。碳包覆层上的比表面积和孔容有显著改变，CTAB的加入改变了孔径分布，使得孔径的分布更加集中，结构的机械强度得到了保证，表现为优异的循环稳定性，孔容和比表面积都明显变大。比表面积的增大意味着能够增大材料的与电解液的接触面积，进而与锂离子有更大的接触面积；孔容的增大意味着在致密的石墨层上为锂离子提供更多的传输通道，从而进一步提高锂离子传输效率，最终表现为充放电容量的提高，倍率性能提高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种CTAB调控制备多孔碳包覆过渡金属氧化物材料的方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂离子电池以其能量密度高、功率密度大等优点已成为便携式电子设备和电动汽车的最佳选择。然而随着锂离子电池的应用越发广泛，对更高容量、更高能量密度等性能的需求也越发迫切。开发具有高容量、大功率、能够高电流密度充放电且稳定性高的新型锂离子电池已经成为近年来的研究热点。针对负极材料的提升主要专注于循环的可逆容量以及循环稳定性及寿命。现有的商用负极材料主要是碳材料，而在碳材料中占据主导位置的就是人造石墨材料。石墨类材料的理论容量(约为370mAh/g)较低，已经无法满足当下以及未来的需求，开发具有高容量的负极材料成为当务之急。关于负极材料目前在研究的分为三大类：碳材料、合金类材料以及过渡金属氧化物材料。大多数过渡金属氧化物材料具有理论容量高、成本较低、储量丰富、环境友好等优点，但是这类材料之所以不能直接用作负极材料的原因是电导率低以及循环过程中体积变化较大。电导率低无疑会影响循环过程中的锂离子与电子的传输，循环过程中的体积膨胀会破坏材料的原本结构，导致结构的塌陷及材料的粉化，从而严重影响循环的寿命。这两个缺点都严重阻碍过渡金属氧化物材料做负极的发展。

为了能够弥补这两个缺点，研究人员对过渡金属氧化物材料的进行了很多材料改性尝试。目前常见的改性方式主要是从尺寸、材料和结构这三大方面出发。

在尺寸方面的改性主要是缩小材料的粒径，缩小材料的尺寸可以增大材料与电解液的接触面积，有效缩短锂离子和电子的传输路径，从而缓解电导率低所带来的不良影响。

在材料方面的改性主要是将过渡金属氧化物与其他性能优越的材料进行复合，从而兼顾并集中多种材料的优势。常见的复合方式是包覆，在材料外包覆石墨、石墨烯、氧化物等材料，旨在发挥材料的协同作用。

在结构方面的改性主要是通过一定的调控手段从而可控的使材料形成具有更有利于循环的结构。目前常见的结构主要是中空核壳结构、多孔核壳结构、金属有机骨架(MOFs)衍生结构等。对结构的调控可以有效增强结构本身的机械强度，从而抑制体积膨胀带来的危害；也可以通过合理的调控，构建有利于锂离子和电子的传输通道，增强锂离子的传输速率。多孔核壳结构，即在包覆的基础上，对材料的包覆层进行孔洞的修饰。单纯的石墨材料包覆虽然可以有效利用石墨优良的导电性能，但是致密的石墨层却会影响锂离子的传输，反而降低了锂离子的传输效率。设计多孔的结构，能够在发挥复合材料的协同作用的基础上，进一步提供更有利于锂离子传输的通道，从而提高材料的储锂性能。发明人发现现有的造孔方法多是存在所需试剂复杂，工序较多的问题，这影响了多孔材料的批量生产。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种CTAB调控制备多孔碳包覆过渡金属氧化物材料的方法及应用，本发明中CTAB作为结构导向剂改善过渡金属氧化物的碳包覆层的孔结构，将所述多孔碳包覆过渡金属氧化物材料用作锂离子电池负极材料，为锂离子和电子创造更加高效的传输路径，用作锂离子电池负极材料时表现出优异的倍率性能，旨在提供一种适用于大多数过渡金属氧化物的改性手段，从而提高过渡金属氧化物的电化学性能。