CN107026266B - 一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法包括如下步骤：步骤1：称取0.05~0.2重量份数CNTs，溶于乙二醇中，超声波震荡1h，完全分散；步骤2：加入0.3~0.5重量份数FeCl3·6H2O、8~9重量份数醋酸钾和1.5~3重量份数聚乙二醇，磁力搅拌30min；步骤3：转移到聚四氟乙烯内衬中，保温处理，冷却到室温，用去离子水洗涤三次，真空干燥，得到黑色粉末；步骤4：称取3~5重量份数聚乙二醇，与黑色粉末混合，装入星式球磨机中，球磨4h；步骤5：将步骤4得到的混合物置于坩埚中，在高纯氩气保护下，以10℃/min速度升温到550~650℃之间，保温6h，缓冷到室温。本发明得到的负极材料容量高且循环性能好，在便携式电子设备和电动汽车等领域具潜在应用前景。

Description

一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法。CNTs即碳纳米管，Fe2O3即氧化铁，C即碳。
背景技术
锂离子电池是一种环境友好型高性能可再生绿色能源，随着锂离子电池的性能提高，正逐渐替代传统能源，并日益广泛的应用于手机和平板电脑等便携式电子设备以及电动汽车。随着电子产品的微型化和智能化，对锂电池的能量密度和循环性能提出更高的要求。目前，石墨类碳材料是最常见的能够商业化的锂离子电池负极材料，但石墨基碳负极材料的比容量已经非常接近其理论容量（372mAh/g），现有的技术几乎达到了其极限，因此，有必要寻找一种可以替代石墨基碳负极材料的、具有更高能量密度和循环性能的新型锂离子电池负极材料。
近年来，各种过渡金属氧化物，如Fe2O3、Fe3O4、MnO2和Co3O4等，具有环境友好、资源丰富且理论容量高等优势，已有将其用于锂电池负极方面的深入研究。其中，Fe2O3由于理论容量高（1007 mAh·g-1）且价格低廉受到广泛关注，但Fe2O3导电性差且充放电过程中体积膨胀大，导致容量衰减较快，极大限制了其产业化的应用。
为了解决Fe2O3负极存在的问题，有的学者从Fe2O3负极的制备上深入研究，例如采用不同的合成方法制备出具有不同晶体结构和颗粒形态的Fe2O3粒子。有的学者以Fe2O3为基础开发出一系列复合材料，例如Fe2O3/CNTs复合薄膜、Fe2O3/graphene复合负极材料等等。纵观国内外专利和公开发表学术论文可知，目前各种Fe2O3基负极的研究是比较积极、活跃的，很有希望成为新一代高容量锂离子电池负极材料。本发明提出一种全新的锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法，通过引入CNTs和C层两种物质，从两个方向抑制Fe2O3充放电过程中体积膨胀，且鉴于CNTs和C层良好的导电性能，因此可很好的解决Fe2O3导电性差且充放电过程中体积膨胀大的问题，从而制备出兼具高功率密度和高能量密度的锂离子电池负极材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：目前锂电池负极材料存在能量密度不高及循环性能不理想的问题，提出一种锂离子电池用CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法，提高电极循环稳定性，并制备出高能量密度且高稳定性的锂离子电池负极材料，进而改善动力锂离子电池的整体性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：称取0.05 ~ 0.2 重量份数的CNTs，溶于一定量的乙二醇中，乙二醇的用量要按照每0.05 ~ 0.2 g的CNTs 对应100mL乙二醇来确定，然后超声波震荡1h，直至完全分散；
步骤2：依次加入0.3 ~ 0.5重量份数的FeCl3·6H2O、8 ~ 9重量份数的醋酸钾和1.5 ~ 3 重量份数的聚乙二醇，磁力搅拌30min；
步骤3：将步骤2所述溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，进行保温处理，随后冷却到室温。接着用去离子水洗涤三次，然后真空干燥，得到黑色粉末；
步骤4：称取3 ~ 5重量份数的聚乙二醇，与步骤3得到的黑色粉末混合，并装入星式球磨机中，球磨4h；
步骤5：将步骤4得到的混合物置于坩埚中，然后在高纯氩气保护下，以10℃/min速度升温到550 ~ 650℃之间，并保温6h，然后缓冷到室温，即得到CNTs/Fe2O3/C复合负极材料。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：本发明以高理论容量且相对廉价的Fe2O3为储锂活性粒子，引入的CNTs有两个优点，一是充分利用CNTs一维多孔结构既有助于充放电过程中锂离子的嵌入和迁出，又可构筑三维导电网络的优点，从而改善复合材料导电性，二是用CNTs作为Fe2O3活性粒子的载体，可以从单一方向缓解Fe2O3活性粒子重放电过程中的体积变化，从而改善复合材料的循环性能。在Fe2O3活性粒子表面沉积C层，其优点在于如下两点，一是在于C层和CNTs将Fe2O3活性粒子夹杂在中间，可对Fe2O3从两个方向实施双保护，进一步抑制体积变化，从而进一步改善循环性能，二是C层可以进一步改善复合材料的导电性能。因此，本发明通过有效引入CNTs和C，构筑CNTs/Fe2O3/C复合负极材料，可有效解决Fe2O3粒子导电性较差且充放电过程中存在较大体积变化的问题，从而制备出高容量高稳定性的锂离子电池负极材料，进而改善动力锂离子电池的整体性能。
附图说明
图1 是实施例1 的复合负极材料的扫描电镜图。
图2 是实施例1 的复合负极材料的循环性能图。
图3 是实施例1 的复合负极材料的交流阻抗图。
具体实施方式
本发明提出一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法，其中，CNTs即碳纳米管，Fe2O3即氧化铁，C即碳，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：称取0.05 ~ 0.2 重量份数的CNTs，溶于一定量的乙二醇中，乙二醇的用量要按照每0.05 ~ 0.2 g的CNTs 对应100mL乙二醇来确定，然后超声波震荡1h，直至完全分散；
步骤2：依次加入0.3 ~ 0.5重量份数的FeCl3·6H2O、8 ~ 9重量份数的醋酸钾和1.5 ~ 3 重量份数的聚乙二醇，磁力搅拌30min；
步骤3：将步骤2所述溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，进行保温处理，随后冷却到室温。接着用去离子水洗涤三次，然后真空干燥，得到黑色粉末；
步骤4：称取3 ~ 5重量份数的聚乙二醇，与步骤3得到的黑色粉末混合，并装入星式球磨机中，球磨4h；
步骤5：将步骤4得到的混合物置于坩埚中，然后在高纯氩气保护下，以10℃/min速度升温到550 ~ 650℃之间，并保温6h，然后缓冷到室温，即得到CNTs/Fe2O3/C复合负极材料。
本发明的实施例1-6，各种参数如下表1所示。
表1 不同实施例中的参数
例1 例2 例3 例4 例5 例6
CNTs / g 0.05 0.05 0.1 0.1 0.2 0.2
FeCl<sub>3</sub>·6H<sub>2</sub>O的质量/ g 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.3
醋酸钾的质量 / g 8 8.5 8.5 9 9 8
（步骤2中）聚乙二醇的质量 / g 1.5 2.0 2.0 3.0 3.0 1.5
（步骤3中）聚乙二醇的质量 / g 3 3 4.0 4 5 5
温度 / ℃ 550 550 550 650 650 650
首次循环容量/mAh·g<sup>-1</sup> 932.5 942.4 941.0 943.8 947.9 933.5
50次后可逆容量/mAh·g<sup>-1</sup> 788.6 798.4 806.9 805.1 803.3 802.1
本发明主要针对工艺参数做了调整，以实施例3予以说明。
步骤1：称取0.1 g CNTs，溶于100 mL乙二醇中，然后超声波震荡1 h，直至完全分散。
步骤2：依次加入0.4 g FeCl3·6H2O、8.5 g 醋酸钾和2.0 g 聚乙二醇，磁力搅拌30 min。
步骤3：然后将该溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，进行保温处理，随后冷却到室温。接着用去离子水洗涤三次，然后真空干燥，得到黑色粉末。
步骤4：称取4.0 g 聚乙二醇，与步骤3得到的黑色粉末混合，并装入星式球磨机中，球磨4h，然后将经球磨的混合物置于坩埚中，然后在高纯氩气保护下，以10℃/min速度升温到550℃并保温6h，然后缓冷到室温，即得到CNTs/Fe2O3/C复合负极材料。
对得到的复合负极材料进行电化学性能测试，结果表明，在100 mA·g-1的电流密度下，复合材料首次放电容量分别为941.0 mAh·g-1，50次循环后放电容量仍可维持在806.9 mAh·g-1，容量保持率为85.7%，具有较好的电化学性能。

Claims (1)

1.一种锂离子电池CNTs/Fe2O3/C复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：称取0.05 ~ 0.2 重量份数的CNTs，溶于一定量的乙二醇中，乙二醇的用量要按照每0.05 ~ 0.2 g的CNTs 对应100mL乙二醇来确定，然后超声波震荡1h，直至完全分散；
步骤2：依次加入0.3 ~ 0.5重量份数的FeCl3·6H2O、8 ~ 9重量份数的醋酸钾和1.5 ~3 重量份数的聚乙二醇，磁力搅拌30min；
步骤3：将步骤2所得的混合物转移到聚四氟乙烯内衬中，进行保温处理，随后冷却到室温，接着用去离子水洗涤三次，然后真空干燥，得到黑色粉末；
步骤4：称取3 ~ 5重量份数的聚乙二醇，与步骤3得到的黑色粉末混合，并装入星式球磨机中，球磨4h；
步骤5：将步骤4得到的混合物置于坩埚中，然后在高纯氩气保护下，以10℃/min速度升温到550 ~ 650℃之间，并保温6h，然后缓冷到室温，即得到CNTs/Fe2O3/C复合负极材料。
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