CN104157832B - 一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池电极材料的制备技术领域,具体公开了一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法。该方法首先将净化处理后的木棉纤维浸入一定浓度的Fe(NO3)3溶液中,待木棉纤维变成均匀的黄色后取出沥干。利用氨气扩散获得氢氧化铁/碳的前驱体。热处理后即得到Fe3O4/C复合材料。本发明提供了一种新的锂离子电池碳基复合负极材料的制备方法,所得Fe3O4/C负极材料具有充放电反应可逆性好、循环性能优异、化学反应活性高、制备工艺条件简单等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池电极材料的制备技术领域,具体涉及一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法。
背景技术
众所周知,过渡金属氧化物作为电极材料,实际比容量和电化学循环稳定性与其形貌和微结构密切相关。四氧化三铁(Fe3O4)具有资源丰富、无毒环保、价格低廉等特点,而且其比容量高达992mAh·g-1,是理想的负极材料候选对象。可控合成纳米尺寸的不同形貌的Fe3O4是当下研究的热门课题。纳米Fe3O4颗粒具有较高的比表面积,有利于增加其与电解液的接触面积;纳米尺寸能有效缩短电子和Li+在电化学反应中的扩散距离。因此,采用纳米Fe3O4颗粒可获得良好电化学性能。
增强Fe3O4电极材料电化学性能的另一种方法就是复合化,即与碳基材料复合。碳基材料不仅能够增加Fe3O4的导电性,提高电化学反应活性,还能够调节其在嵌脱锂过程中发生的巨大体积变化,对于保持电极材料的稳定性非常有利。如今,模板法已成为合成新型纳米/微米结构复合材料的先进方法和有效途径。大自然提供了各式各样性能优良的生物模板,如竹子,蟹壳,细菌等。碳在生物模板中含量最为丰富,而且,这些模板都具有十分精致的形貌以及高度规整的几何结构,因此,将Fe3O4与生物模板复合,制备出具有特殊结构的Fe3O4/C复合材料可有望提高其电化学性能。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于提供了一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,所得负极材料具有充放电反应可逆性好、循环性能优异、化学反应活性高、制备工艺条件简单等诸多优点。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料制备方法,其步骤如下:
(1)将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5~1小时,取出,烘干后将其剪成长度约为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡0.5~1小时。
(2)配置物质量浓度为2~4mol/L的Fe(NO3)3溶液。
(3)将步骤(1)中经清洗后的木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,完全浸入配好的Fe(NO3)3溶液中。
待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体。
(4)将步骤(3)所得沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体。
(5)将步骤(4)得到的前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在惰性气氛保护下,以一定升温速率升温至500~800℃,然后保温4小时。随炉冷却至室温后取出。
(6)将步骤(5)的产物经过手工研磨成粉后即得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
所述惰性气氛条件为氮气或者氩气气氛。
所述步骤(5)中升温速率为5℃/min。
所述浓氨水的质量百分比浓度为25%~28%。
与现有技术相比,本发明方法的优点与有益效果在于:
本发明为一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,将天然木棉纤维同时作为生物模板和碳源,结合微试管反应法,在中空的管状纤维壁内成功负载纳米尺寸的Fe3O4量子点,从而制备出Fe3O4/C复合纳米材料。所使用的木棉纤维作为生物模板其本身并不具有生物活性,但其管壁依然可以成功包覆生成的纳米Fe3O4颗粒,这为其他无活性的生物模板材料提供了理论依据和实验基础,拓展了生物模板的应用范围。在热处理过程中,木棉纤维经高温转化为导电性良好的无定形“碳骨架”,并为Fe3O4纳米颗粒的生成提供了还原性条件。通过对Fe3O4/C电极进行电化学性能测试,得出本发明所制备的特殊结构形貌的Fe3O4/C复合纳米材料具有较高的充放电比容量、良好的循环性能以及优异的倍率性能。
附图说明
图1为实施例1~4中所用木棉纤维的扫描电镜图片。
图2为实施例1~4中制备Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的制备原理示意图。
图3为实施例1所制得的产品Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的扫描电镜图片。
图4为实施例1所制得的产品Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的X-射线衍射图片。
图5为实施例1所制得的产品Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料在0.1A/g条件下的放电曲线及库仑效率曲线。
图6为实施例1所制得的产品Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的倍率循环曲线图。
图1为木棉纤维的扫描电镜图,由图可以看出,木棉纤维为微管结构,直径为15~25μm。图2为Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的制备原理示意图,首先,配制好硝酸铁溶液与氨水反应形成红褐色氢氧化铁沉淀。随后Fe(OH)3经加热分解成为Fe2O3,氧化铁与木棉纤维进一步反应生成了Fe3O4。图3中可以看出,管壁上均匀分布着密密麻麻的小颗粒,直径范围2~5nm。图4的X-射线衍射图片可以看出材料在在30.1°、35.4°、43.0°、56.9°和62.5°处的衍射峰分别对应Fe3O4的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面。图谱中衍射峰比较明显,表明Fe3O4的结晶度较好。图5展示了实施例1所制得产品的循环性能及库仑效率曲线。100次循环后,其可逆比容量达到710mAh·g-1,与第二次循环中的可逆放电容量642mAh·g-1进行对比可得,Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料的容量保持率为110.6%,这是因为材料经多次循环后被逐步活化,表明Fe3O4/C电极具有极好的结构稳定性。图6为实施例1所制Fe3O4/C样品的倍率循环曲线,Fe3O4/C电极在多倍率循环放电过程中,Fe3O4/C电极的放电容量随放电倍率的增大而减小,但在每个电流密度下仍然表现出良好的循环稳定性,没有出现明显衰减。经过60次阶梯倍率循环后,当电流密度重新回到0.1A·g-1时,Fe3O4/C放电容量基本可以恢复到原有状态,容量保持率为90.29%。此外,在0.1A·g-1倍率下再循环50次后,Fe3O4/C电极可逆放电容量不仅没有下降,反而缓慢上升,达到606.6mAh·g-1,基本与初始放电容量齐平。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明方法做进一步的详细说明,目的在于使本领域技术人员能够清楚地理解本发明。但以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明权利要求书请求保护范围的限制。
以下实施例中所用药品都购自国药集团化学试剂有限公司。
实施例1-4的原料木棉纤维来源于广州市周边地区,从天然木棉树上收集而来,其扫描电镜图见图1。
所用浓氨水的质量百分比浓度分别为实施例1是28%、实施例2是28%、实施例3是25%、实施例4是26%。
实施例1
一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,其步骤如下:
首先将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5小时,清洗干净,取出,烘干后将其剪成长度约为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡0.5小时。配置浓度为3mol/L的Fe(NO3)3溶液,将木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,将木棉纤维完全浸入配好的Fe(NO3)3溶液中。待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体。随后将沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体。随后,将前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在流动氮气气氛保护下,以5℃·min-1的速度升温至500℃,保温4小时。随炉冷却至室温后取出,再将产物经手工研磨成粉后就得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
实施例2
一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,其步骤如下:
首先将木棉纤维放入去离子水中超声振荡1小时,清洗干净,取出,烘干后将其剪成长度约为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡0.5小时。配置浓度为2.4mol/L的Fe(NO3)3溶液,将木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,将木棉纤维完全浸入配好的Fe(NO3)3溶液中。待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体。随后将沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体。随后,将前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在流动氩气气氛保护下,以5℃·min-1的速度升温至600℃,保温4小时。随炉冷却至室温后取出,再将产物经手工研磨成粉后就得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
实施例3
一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,其步骤如下:
首先将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5小时,清洗干净,取出,烘干后将其剪成长度约为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡1小时。配置浓度为3.5mol/L的Fe(NO3)3溶液,将木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,将木棉纤维完全浸入配好的Fe(NO3)3溶液中。待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体。随后将沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体。随后,将前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在流动氮气气氛保护下,以5℃·min-1的速度升温至700℃,保温4小时。随炉冷却至室温后取出,再将产物经手工研磨成粉后就得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
实施例4
一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料的制备方法,其步骤如下:
首先将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5小时,清洗干净,取出,烘干后将其剪成长度约为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡0.5小时。配置浓度为3mol/L的Fe(NO3)3溶液,将木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,将木棉纤维完全浸入配好的Fe(NO3)3溶液中。待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体。随后将沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体。随后,将前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在流动氩气气氛保护下,以5℃·min-1的速度升温至800℃,保温4小时。随炉冷却至室温后取出,再将产物经手工研磨成粉后就得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
分别将实施例1~4制得的样品制成半电池进行电化学性能测定,半电池装配方法均如下:将待测样品、Super P Li导电炭黑(特密高)、PVDF(阿科玛聚偏氟乙烯粘结剂HSV900型)按质量比为85%:10%:5%混合,用N-甲基吡咯烷酮调匀,搅拌成粘稠状,将其涂在铜箔上,真空(-0.1MPa)60℃下干燥6小时,冷却后切成直径约1cm的圆形膜片。半电池在手套箱中采用CR2016型扣式电池组装,隔膜为Celgard2400聚丙烯隔膜,电解液为含1M LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)混合电解液(混合电解液中EC、DEC的体积比为1:1),负极为商品化圆形锂片(直径1.5cm),电化学性能测试在蓝电CT2001A型电池测试***(武汉市蓝电电子股份有限公司生产)上进行。
Claims (4)
1.一种四氧化三铁/碳复合锂离子电池电极材料制备方法,其步骤如下:
(1)将木棉纤维放入去离子水中超声振荡0.5~1小时,取出,烘干后将其剪成长度为2~5mm的小段,并将其分散于无水乙醇中,超声振荡0.5~1小时;
(2)配置物质量浓度为2~4mol/L的Fe(NO3)3溶液;
(3)将步骤(1)中经清洗后的木棉纤维从无水乙醇中捞出,沥干表面液体,完全浸入步骤(2)配好的Fe(NO3)3溶液中;
待木棉纤维变成均匀的黄色后取出,沥干表面液体;
(4)将步骤(3)所得沥干后的木棉纤维置于浓氨水上方,利用氨气的扩散,使木棉纤维中含有的硝酸铁与氨气反应,待木棉纤维的颜色成为黄褐色时,立即停止反应,获得氢氧化铁/木棉纤维的前驱体;
(5)将步骤(4)得到的前驱体放入石墨舟,密封好后置于管式炉中,在惰性气氛保护下,以一定升温速率升温至500~800 ℃,然后保温4小时,随炉冷却至室温后取出;
(6)将步骤(5)的产物经过手工研磨成粉后即得到最终产物Fe3O4/C复合锂离子电池电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述惰性气氛条件为氮气或者氩气气氛。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中升温速率为5℃/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述浓氨水的质量百分比浓度为25%~28%。
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