具有Yolk/Shell结构氮掺杂碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备及其在锂离子电池负极方面的应用研究

Magnetite is an ideal candidate for the next generation anode material of lithium ion batteries, due to its high specific capacity (928 mAh/g), low cost, environmental friendliness, and facile process characteristics. To resolve the defects of its large volume change while inserting lithium and its poor electro-conductivity. This project aims to develop a new strategy to prepare yolk/shell N-doped carbon coated magnetite nanoparticles, by using silica and N-containing ionic liquid to successively coat magnetite, then through carbonization, etching the silica layer. N-doped carbon coating layer can effectively improve the conductivity of magnetite, and the stability of SEI film formed on the material surface. The yolk/shell structure can effectively alleviate the volume change. The N-doped C@Fe3O4 was used as an anode material for lithium ion battery, which can effectively improve the battery capacity, cycle life and rate charge/discharge performance. This strategy has the advantages of simple process, low cost, easy amplification etc. The results of this project could provide theoretical and experimental basises for the development of the next generation anode material of lithium ion batteries.

四氧化三铁因其比容量高（928 mAh/g）、原料便宜易得、无污染、易加工等特点，成为下一代锂离子电池负极材料的理想候选。为解决其在嵌锂前后体积变化大和导电性欠佳的缺陷。本项目拟发展一种利用二氧化硅和含氮离子液体先后对四氧化三铁纳米粒子进行包覆，再经碳化，刻蚀二氧化硅层处理， 制备具有Yolk/Shell结构的氮掺杂碳包覆四氧化三铁纳米材料的新方法。氮掺杂碳包覆层可有效提高四氧化三铁材料的导电性，并可使表面形成的SEI膜更加稳定；同时，Yolk/Shell结构能够有效缓解四氧化三铁材料嵌锂前后体积变化大引起的容量衰减问题。该材料用于锂离子电池负极，可有效提高锂离子电池的比容量、循环寿命和倍率充放电等性能。该方法具有工艺简单、成本低、易于放大等特点。通过该项目的研究，为下一代锂离子电池负极材料的发展提供理论和实验基础。

负极材料是限制锂离子电池容量提升的一个主要障碍，金属氧化物材料相比石墨具有更高的比容量，然而，导电性差和充放电过程体积变化大限制了其应用。通过本项目的研究，我们发展了一种制备yolk/shell结构的氮掺杂碳包覆Fe3O4纳米材料的新方法。将正硅酸乙酯(TEOS)在Fe3O4纳米粒子的存在下水解成SiO2，包覆到Fe3O4纳米粒子的表面，形成Fe3O4@SiO2的结构，然后将合成的离子液体(3-氰基吡啶硫酸盐)经高温碳化包覆到Fe3O4@SiO2的表面，形成三层结构Fe3O4@SiO2@C(IL)。再将该材料用氢氧化钠（NaOH）处理，把中间层SiO2刻蚀掉，形成中空结构的Fe3O4@void@C(IL)。该材料应用到锂离子电池的负极中表现出很好的电化学性能。在1000 mA/g的充放电的条件下，经过500次循环，其容量仍可有860 mAh/g，2000 mA/g的充放电条件下，其容量有500 mAh/g。如此大的电流条件下，表现出很好的循环性能和高比容量，且材料廉价易得，制作过程方便简单，可扩大生产，具有很好的商业应用前景。.通过本项目的研究，我们已发表标注本项目资助的SCI论文19篇；培养了博士研究生7名，其中4名毕业，硕士研究生15名，其中10名已毕业。