本發(fā)明屬于鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種負(fù)極材料α-LiFeO₂/多孔碳的合成方法。

背景技術(shù)：

近年來，原來越多的研究人員關(guān)注能源領(lǐng)域?，F(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)可以滿足便攜式電子產(chǎn)品的需求，然而，在電動汽車以及智能電網(wǎng)等其他電池需求領(lǐng)域，鋰離子電池的性能還未能達(dá)到要求。人們不斷探索具有更大的容量、更高的工作電壓、更好的循環(huán)穩(wěn)定性、更好的倍率性能以及安全性更高的電極材料。

目前，已經(jīng)市場化的負(fù)極材料為石墨。雖然石墨電極循環(huán)性能穩(wěn)定，但其低的容量遠(yuǎn)不能滿足人們對大容量鋰離子電池的需求。因此，尋找一種廉價、能量密度高、循環(huán)性能良好的負(fù)極材料已經(jīng)成為研究鋰離子電池領(lǐng)域的熱點之一。眾所周知，F(xiàn)e的價格便宜且無毒，這對于開發(fā)綠色電池材料來說非常重要。此外，LiFeO₂具有工作電壓范圍寬、能量密度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點。因此，開發(fā)LiFeO₂用作鋰離子電池負(fù)極材料具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鋰離子電池負(fù)極α-LiFeO₂/多孔碳復(fù)合材料的合成方法，以提高鋰離子電池的容量。

本發(fā)明將Li₂CO₃、Fe₂O₃和PAN混合研磨后氮氣保護(hù)下管式爐中580～650℃條件下煅燒，經(jīng)冷卻，得α-LiFeO₂和多孔碳的鋰離子電池負(fù)極復(fù)合材料。

本發(fā)明采用以上簡單的一步固相法合成α-LiFeO₂/多孔碳復(fù)合材料，制成的復(fù)合材料為結(jié)晶于四方晶系空間群Fm-3m的α相LiFeO₂與多孔碳的復(fù)合材料，為黑色粉末，微觀結(jié)構(gòu)為約20-100納米的α-LiFeO₂顆粒被多孔碳包覆。該復(fù)合材料提升了α-LiFeO₂的容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。本發(fā)明的操作步驟簡單，制備周期短，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有利于批量生產(chǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著特點：

（1）合成方法簡單，可一步大量合成樣品，固相合成方法有利于材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

（2）將多孔碳原位引入α-LiFeO₂中，可顯著提高它的電化學(xué)性能。

（3）本發(fā)明所使用的材料環(huán)境友好，不會造成對環(huán)境的污染問題，易于在工業(yè)上推廣應(yīng)用。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述Li₂CO₃和Fe₂O₃摩爾比為1∶1，該用量比為化學(xué)計量比，利于合成純相的LiFeO₂。

另外，如反應(yīng)中PAN的用量過大將導(dǎo)致反應(yīng)的失敗，而過小導(dǎo)致性能不理想。以本發(fā)明所述Li₂CO₃和Fe₂O₃的混合總質(zhì)量與PAN的質(zhì)量比為2∶1，該比例能極大的提高電池的循環(huán)性能。

所述煅燒時間為8～12個小時，該時間段獲得的產(chǎn)品擁有均勻的納米尺寸。

附圖說明

圖1為采用本發(fā)明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的粉末X射線衍射圖。

圖2為采用本發(fā)明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的掃描電子顯微鏡照片。

圖3至6分別為采用本發(fā)明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳的EDS元素面分布圖。

圖7為采用本發(fā)明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳為負(fù)極材料時的第1、2和120圈的充放電測試數(shù)據(jù)圖。

圖8為采用本發(fā)明方法制成的α-LiFeO₂/多孔碳為負(fù)極材料時的120圈循環(huán)數(shù)據(jù)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

一、合成實施例：

稱取總質(zhì)量為500mg的Li₂CO₃（99%）和Fe₂O₃（99.9%）摩爾比為1∶1的樣品，再稱取250 mg PAN，在瑪瑙研缽中研磨30分鐘，使三種原料混合均勻。放進(jìn)坩堝中轉(zhuǎn)移到管式爐中程序控溫。氮氣保護(hù)下，4小時內(nèi)從室溫加熱到580～650℃，保溫8～12小時，停止程序，直接從管式爐中取出坩堝，自然冷卻至室溫，得到復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳。

將得到的α-LiFeO₂和多孔碳的鋰離子電池負(fù)極復(fù)合材料作為活性材料，炭黑作為導(dǎo)電劑，PVDF作為粘結(jié)劑，三種物質(zhì)的比例為8∶1∶1，磁力攪拌8個小時，利用涂布機(jī)將漿料均勻涂布在銅箔上，80℃保溫8小時。干燥后切成α-LiFeO₂/多孔碳電極片，然后120℃真空干燥12小時。在真空手套箱中組裝電池，電池的組裝順序，從上至下分別是：負(fù)極殼、墊圈、墊片、鋰片、隔膜、α-LiFeO₂/多孔碳電極片、正極殼。得到的紐扣電池在充放電測試儀上進(jìn)一步測試。

二、產(chǎn)物特征：

圖1 是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的XRD圖，上面譜圖為實驗數(shù)據(jù)，下面譜圖為根據(jù)α-LiFeO₂/多孔碳的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬出的理論數(shù)據(jù)?？梢钥闯霎a(chǎn)物為純的α-LiFeO₂/多孔碳。

圖2 是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的SEM圖，可以看出產(chǎn)物為納米顆粒，尺寸在20-100 nm左右，由多孔碳包覆。

圖3是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的Fe元素面分布圖。

圖4是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的O元素面分布圖。

圖5是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的C元素面分布圖。

圖6是采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳的N元素面分布圖。

分析可知α-LiFeO₂/多孔碳復(fù)合材料中各元素分布均勻，表明α-LiFeO₂納米顆粒較均勻分布在氮摻雜的碳基體上。

圖7為采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳用作鋰離子電池負(fù)極材料時首次放電容量可達(dá)1830 mAh/g，第二圈放電容量為1380 mAh/g，第一百二十圈放電容量為792 mAh/g。

圖8為采用本發(fā)明方法得到的復(fù)合材料α-LiFeO₂/多孔碳用作鋰離子電池負(fù)極材料時，α-LiFeO₂/多孔碳在0.1C和1C的電流密度下的140圈循環(huán)性能及庫倫效率。從圖中可以看出，在30圈之后，α-LiFeO₂/多孔碳的充放電容量趨于穩(wěn)定，一直穩(wěn)定在（780 mAh/g，0.1C; 560 mAh/g，1C）左右。在第120圈時，其放電容量還有（792 mAh/g, 0.1C; 565 mAh/g, 1C）。從庫倫效率可以看出，這種物質(zhì)的充放電效率一直在100%左右，證明α-LiFeO₂/多孔碳在充放電時，沒有多余的熱量散發(fā)，電池的穩(wěn)定性較好。