锂离子电池负极α‑LiFeO2/多孔碳复合材料的合成方法与流程

本发明属于锂离子电池材料技术领域，涉及一种负极材料α-LiFeO₂/多孔碳的合成方法。

背景技术：

近年来，原来越多的研究人员关注能源领域。现有的锂离子电池技术可以满足便携式电子产品的需求，然而，在电动汽车以及智能电网等其他电池需求领域，锂离子电池的性能还未能达到要求。人们不断探索具有更大的容量、更高的工作电压、更好的循环稳定性、更好的倍率性能以及安全性更高的电极材料。

目前，已经市场化的负极材料为石墨。虽然石墨电极循环性能稳定，但其低的容量远不能满足人们对大容量锂离子电池的需求。因此，寻找一种廉价、能量密度高、循环性能良好的负极材料已经成为研究锂离子电池领域的热点之一。众所周知，Fe的价格便宜且无毒，这对于开发绿色电池材料来说非常重要。此外，LiFeO₂具有工作电压范围宽、能量密度高、质量轻等优点。因此，开发LiFeO₂用作锂离子电池负极材料具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种锂离子电池负极α-LiFeO₂/多孔碳复合材料的合成方法，以提高锂离子电池的容量。

本发明将Li₂CO₃、Fe₂O₃和PAN混合研磨后氮气保护下管式炉中580～650℃条件下煅烧，经冷却，得α-LiFeO₂和多孔碳的锂离子电池负极复合材料。

本发明采用以上简单的一步固相法合成α-LiFeO₂/多孔碳复合材料，制成的复合材料为结晶于四方晶系空间群Fm-3m的α相LiFeO₂与多孔碳的复合材料，为黑色粉末，微观结构为约20-100纳米的α-LiFeO₂颗粒被多孔碳包覆。该复合材料提升了α-LiFeO₂的容量和循环稳定性能。本发明的操作步骤简单，制备周期短，经济环保，有利于批量生产。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

（1）合成方法简单，可一步大量合成样品，固相合成方法有利于材料的规模化生产。

（2）将多孔碳原位引入α-LiFeO₂中，可显著提高它的电化学性能。

（3）本发明所使用的材料环境友好，不会造成对环境的污染问题，易于在工业上推广应用。

进一步地，本发明所述Li₂CO₃和Fe₂O₃摩尔比为1∶1，该用量比为化学计量比，利于合成纯相的LiFeO₂。

另外，如反应中PAN的用量过大将导致反应的失败，而过小导致性能不理想。以本发明所述Li₂CO₃和Fe₂O₃的混合总质量与PAN的质量比为2∶1，该比例能极大的提高电池的循环性能。

所述煅烧时间为8～12个小时，该时间段获得的产品拥有均匀的纳米尺寸。

附图说明

图1为采用本发明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的粉末X射线衍射图。

图2为采用本发明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的扫描电子显微镜照片。

图3至6分别为采用本发明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的EDS元素面分布图。

图7为采用本发明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳为负极材料时的第1、2和120圈的充放电测试数据图。

图8为采用本发明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳为负极材料时的120圈循环数据图。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行详细说明。

一、合成实施例：

称取总质量为500mg的Li₂CO₃（99%）和Fe₂O₃（99.9%）摩尔比为1∶1的样品，再称取250 mg PAN，在玛瑙研钵中研磨30分钟，使三种原料混合均匀。放进坩埚中转移到管式炉中程序控温。氮气保护下，4小时内从室温加热到580～650℃，保温8～12小时，停止程序，直接从管式炉中取出坩埚，自然冷却至室温，得到复合材料α-LiFeO₂/多孔碳。

将得到的α-LiFeO₂和多孔碳的锂离子电池负极复合材料作为活性材料，炭黑作为导电剂，PVDF作为粘结剂，三种物质的比例为8∶1∶1，磁力搅拌8个小时，利用涂布机将浆料均匀涂布在铜箔上，80℃保温8小时。干燥后切成α-LiFeO₂/多孔碳电极片，然后120℃真空干燥12小时。在真空手套箱中组装电池，电池的组装顺序，从上至下分别是：负极壳、垫圈、垫片、锂片、隔膜、α-LiFeO₂/多孔碳电极片、正极壳。得到的纽扣电池在充放电测试仪上进一步测试。

二、产物特征：

图1 是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的XRD图，上面谱图为实验数据，下面谱图为根据α-LiFeO₂/多孔碳的晶体结构数据模拟出的理论数据。可以看出产物为纯的α-LiFeO₂/多孔碳。

图2 是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的SEM图，可以看出产物为纳米颗粒，尺寸在20-100 nm左右，由多孔碳包覆。

图3是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的Fe元素面分布图。

图4是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的O元素面分布图。

图5是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的C元素面分布图。

图6是采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳的N元素面分布图。

分析可知α-LiFeO₂/多孔碳复合材料中各元素分布均匀，表明α-LiFeO₂纳米颗粒较均匀分布在氮掺杂的碳基体上。

图7为采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳用作锂离子电池负极材料时首次放电容量可达1830 mAh/g，第二圈放电容量为1380 mAh/g，第一百二十圈放电容量为792 mAh/g。

图8为采用本发明方法得到的复合材料α-LiFeO₂/多孔碳用作锂离子电池负极材料时，α-LiFeO₂/多孔碳在0.1C和1C的电流密度下的140圈循环性能及库伦效率。从图中可以看出，在30圈之后，α-LiFeO₂/多孔碳的充放电容量趋于稳定，一直稳定在（780 mAh/g，0.1C; 560 mAh/g，1C）左右。在第120圈时，其放电容量还有（792 mAh/g, 0.1C; 565 mAh/g, 1C）。从库伦效率可以看出，这种物质的充放电效率一直在100%左右，证明α-LiFeO₂/多孔碳在充放电时，没有多余的热量散发，电池的稳定性较好。