一种铁碳复合负极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种铁碳复合负极及其制备方法与应用，所述铁碳复合负极包括基体以及基体表面的包覆层，所述包覆层包括碳包覆层，所述基体包括碳纤维以及分散在碳纤维内部和表面的三氧化二铁颗粒；本发明专利技术所述铁碳复合负极中的三氧化二铁稳定的分散在被碳包覆层包覆的碳纤维中，通过碳纤维和碳包覆层的协同作用，抑制了三氧化二铁的膨胀，同时为三氧化二铁的膨胀提供了空间，大幅提升了电池的长循环性能；同时，本发明专利技术所述负极能够直接作为负极使用，无需与粘结剂和导电剂复合使用，也无需使用集流体，极大简化了锂离子电池的制备工艺。艺。

【技术实现步骤摘要】
一种铁碳复合负极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电池
，涉及一种铁碳复合负极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]由于三氧化二铁作为锂离子电池负极材料时，具有较高的理论比容量，并且对环境友好。然而，由于三氧化二铁负极材料在充放电过程中体积变化较大，易粉碎，且其导电性较差，需要对三氧化二铁负极材料进行改性处理，以抑制其体积膨胀，并提升其导电性。现有技术中对于三氧化二铁的改性方法通常是采用碳包覆，通过碳包覆一方面抑制三氧化二铁膨胀，另一方面提升导电性。
[0003]如CN 105355908A公开了一种锂离子电池复合负极材料及其制备方法、使用该材料的负极和锂离子电池，所述锂离子电池复合负极材料的制备方法为：将原料Fe2O3与原料碳材料进行球磨处理，制得Fe2O3/碳复合粉体材料，再将制得的Fe2O3/碳复合粉体材料进行煅烧，得到所述的锂离子电池复合负极材料。虽然其Fe2O3复合了碳材料，但是得到的复合材料组装成电池进行电化学测试后，仍存在容量衰减较快的问题，并且可逆容量较低。
[0004]并且，现有技术中的三氧化二铁材料还需与粘结剂、导电剂和溶剂等混合成浆料，将浆料涂覆在集流体上使用，限制了三氧化二铁容量的发挥，降低了电池的能量密度，不利于三氧化二铁负极材料的应用。
[0005]基于以上研究，需要提供一种铁碳复合负极，所述铁碳复合负极中三氧化二铁的稳定性高，有足够的膨胀空间，使得所述铁碳复合负极不仅导电性能和循环性能优异，还可直接作为锂电池负极使用，提高了电池体积能量密度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种铁碳复合负极及其制备方法与应用，所述铁碳复合负极中的三氧化二铁稳定的分散在被碳包覆层包覆的碳纤维中，通过碳纤维和碳包覆层的协同作用，抑制了三氧化二铁的膨胀，同时为三氧化二铁的膨胀提供了空间，大幅提升了电池的长循环性能；同时，本专利技术所述负极能够直接作为负极使用，无需与粘结剂和导电剂复合使用，也无需使用集流体，极大简化了锂离子电池的制备工艺。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种铁碳复合负极，所述铁碳复合负极包括基体以及基体表面的包覆层，所述包覆层包括碳包覆层，所述基体包括碳纤维以及分散在碳纤维内部和表面的三氧化二铁颗粒。
[0009]本专利技术所述三氧化二铁颗粒分散在碳纤维内部和表面，一方面，由于碳纤维的结构，使得在碳纤维中的三氧化二铁稳定性高，并且碳纤维能为三氧化二铁的膨胀提供空间；另一方面，本专利技术所述复合负极表面还包覆着碳包覆层，碳包覆不仅能够提升负极的导电性，还能抑制分散在碳纤维表面三氧化二铁的膨胀，进一步提升了负极的循环性能；此外，本专利技术所述负极是以碳纤维作为基体，能够使本专利技术所述复合负极直接作为负极使用，而
无需再使用粘结剂、导电剂和集流体等。
[0010]优选地，所述碳包覆层为含氮碳包覆层。
[0011]本专利技术采用含氮的碳包覆层进行包覆，能够进一步提升负极的导电性。
[0012]优选地，所述碳包覆层中的碳为聚合物基碳和金属有机框架材料基碳。
[0013]本专利技术包含碳纤维、聚合物基的碳层和金属有机框架材料基的碳层，即，本专利技术负极中包含三种碳，三种碳的协同作用最大程度上抑制了三氧化二铁的膨胀，提升了负极的导电性；并且本专利技术所述金属有机框架基碳为多孔碳，能够进一步为表面三氧化二铁颗粒的膨胀提供空间。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述的铁碳复合负极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0015](1)混合三氧化二铁、高分子材料和溶剂，得到纺丝液，所述纺丝液进行静电纺丝和热处理，得到碳纤维；
[0016](2)将包覆液与步骤(1)所述碳纤维进行混合和碳化，得到所述铁碳复合负极。
[0017]本专利技术将三氧化二铁与高分子材料和溶剂一同制备纺丝液，三氧化二铁颗粒会均匀分散在纳米碳纤维内部及表面，但由于三氧化二铁作为锂电池负极时，充放电过程会导致其体积发生剧烈膨胀，因此此时的碳氧化铁纳米纤维结构在电池循环过程中仍不稳定，因此，本专利技术通过包覆，整体形成核壳结构，为氧化铁的膨胀提供了缓冲空间。
[0018]优选地，在进行所述步骤(2)之前，步骤(1)所述碳纤维先进行表面酸处理。
[0019]本专利技术通过表面酸处理可以将纤维表面不稳定的氧化铁颗粒转化为3价铁离子，以便后续制备金属有机框架材料基碳。
[0020]优选地，所述表面酸处理包括：将步骤(1)所述纺丝纤维表面滴加和/或喷涂酸，然后烘干，完成表面酸处理。
[0021]本专利技术酸处理后直接烘干，去除水分以及使酸气体挥发出来，使反应生成的铁盐附着在纤维表面。
[0022]优选地，所述表面酸处理采用的酸的浓度为0.05
‑
0.3mol/L，例如可以是0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L或0.3mol/L，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0023]本专利技术所述酸的浓度会影响表面处理的效果，以及碳纤维内部三氧化二铁的稳定性，若酸的浓度过高，则会过渡酸化，使内部三氧化二铁分解；若酸的浓度过低，则表面处理的效果下降。
[0024]优选地，所述表面酸处理采用的酸包括盐酸。
[0025]优选地，所述表面滴加和/或喷涂酸后反应2
‑
10min，再进行烘干，例如可以是2min、5min或10min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0026]优选地，所述烘干的温度为30
‑
50℃，例如可以是30℃、40℃或50℃，时间为1
‑
3h，例如可以是1h、2h或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0027]优选地，步骤(2)所述包覆液包括碳源和有机配体。
[0028]本专利技术所述包覆液中的碳源能够对碳纤维进行包覆，有机配体能够与表面酸处理后的三价铁离子反应生成金属有机框架材料，再进行碳化后，金属有机框架材料碳化后能够生成多孔碳，从而能够进一步提升碳纤维表面三氧化二铁的稳定性，为碳纤维表面三氧
化二铁的膨胀提供缓冲空间。
[0029]优选地，所述碳源包括多巴胺。
[0030]本专利技术采用多巴胺作为碳包覆层的碳源，包覆液中的多巴胺能够先在碳纤维表面原位聚合生成聚多巴胺，相较于其它常规包覆方法，原位包覆的包覆层更加均匀致密。
[0031]优选地，所述有机配体包括2
‑
甲基咪唑。
[0032]优选地，所述包覆液中还包括三羟甲基氨基甲烷和去离子水。
[0033]优选地，所述包覆液中还包括尿素。
[0034]本专利技术在水热反应过程中还添加了尿素，尿素加入会增加碳纤维的N元素含量，氮掺杂能够提高碳材料的化学反应活性、电导率和吸附锂离子速度，含氮的官能团在大电流充放电时有促进电子传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁碳复合负极，其特征在于，所述铁碳复合负极包括基体以及基体表面的包覆层，所述包覆层包括碳包覆层，所述基体包括碳纤维以及分散在碳纤维内部和表面的三氧化二铁颗粒。2.根据权利要求1所述的铁碳复合负极，其特征在于，所述碳包覆层为含氮碳包覆层；优选地，所述碳包覆层中的碳为聚合物基碳和金属有机框架材料基碳。3.一种如权利要求1或2所述的铁碳复合负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)混合三氧化二铁、高分子材料和溶剂，得到纺丝液，所述纺丝液进行静电纺丝和热处理，得到碳纤维；(2)将包覆液与步骤(1)所述碳纤维进行混合和碳化，得到所述铁碳复合负极。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在进行所述步骤(2)之前，步骤(1)所述碳纤维先进行表面酸处理；优选地，所述表面酸处理包括：将步骤(1)所述纺丝纤维表面滴加和/或喷涂酸，然后烘干，完成表面酸处理；优选地，所述表面酸处理采用的酸的浓度为0.05
‑
0.3mol/L；优选地，所述表面酸处理采用的酸包括盐酸；优选地，所述表面滴加和/或喷涂酸后反应2
‑
10min，再进行烘干；优选地，所述烘干的温度为30
‑
50℃，时间为1
‑
3h。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述包覆液包括碳源和有机配体；优选地，所述碳源包括多巴胺；优选地，所述有机配体包括2
‑
甲基咪唑；优选地，步骤(2)所述包覆液中还包括尿素；优选地，步骤(2)所述包覆液中还包括三羟甲基氨基甲烷和去离子水；优选地，步骤(2)所述包覆液的pH为8.5
‑
9。6.根据权利要求3
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合包括将所述碳纤维在包覆液中进行水热反应；优选地，所述水热反应的温度为100
‑
150℃，时间为10
‑
20h；优选地，步骤(2)所述碳化的温度为800
‑
1000℃，时间为1
‑
3h；优选地，步骤(2)所述碳化的升温速率为1
‑
5℃/min，气氛为氮气气氛。7.根据权利要求3
‑
6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述三氧化二铁和高分子材料的质量比为(0.5
‑
1):1；优选地，步骤(1)所述高分子材料与溶剂的质量比为(0.1
‑
0.5):1；优选地，步骤(1)所述高分子材料包括PAN；优选地，步骤(1)所述混合包括先将三氧化二铁与溶剂进行超声分散，再与高分子材料进行加热搅拌；优选地，所述超声分散的时间为10
‑
30min；优选地，所述加热搅拌的温度为60
‑
80℃，时间为10
‑
14h。8.根据权利要求3
‑
7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述热处理包括依
次进行的固化和焙烧；优选地，所述固化的温度为200
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾芝泉，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：