CN111193026A - 一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法 - Google Patents

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毛艳丽
陈乐乐
李山鹰
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Abstract

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将铁盐溶液与NaH2PO4溶液混合，得混合液；将所得混合液进行水热反应；将所得产物离心分离，干燥后即得梭形氧化铁单晶纳米材料，用一种简单的方法可以批量制备单分散的梭形氧化铁纳米单晶，材料具有单晶结构，适于电子的传输，减少传输过程中电子的耗散，并可大批量制备，产率高，材料成品稳定。

Description

一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度大、开路电压高、循环寿命长、良好安全性等优点，广泛应用于便携式电子设备，如手机，笔记本电脑，也是未来电动汽车优选动力电源，具有广阔的应用空间和经济价值。
目前对于锂离子电池研究的重点集中在电池的正负极材料上，其中，负极材料是锂离子电池的关键材料之一。目前商用的锂离子电池主要以碳基材料作为负极，但是由于石墨负极材料的可逆容量只有372mAh/g,这严重限制了未来锂离子电池的发展，因此研究者希望能够找到一种具有高的比容量同时循环性能优异的电极材料来制备锂离子电池。Fe2O3作为锂离子电池负极材料拥有高达1007mAh/g的理论容量，但是Fe2O3本身的电导性差，电子传递速度慢，而且循环过程中会产生体积膨胀，最终导致电池倍率性能和循环性能并不理想；此外，现有的Fe2O3制备方法繁琐，不利于工业化生产。CN102528027B报道采用高氯酸铁、磷酸二氢钠和尿素制备纺锤形α-Fe2O3粒子，该方法需要加入尿素调节pH，且高氯酸铁为强氧化剂，不利于大规模生产。为了改善Fe2O3作为锂离子电池负极材料的循环性能，研究者希望能够采用简单的工艺批量制备出纳米尺寸的Fe2O3颗粒，提高锂离子扩散系数以及电子传导率，最终获得可以工业化生产的电化学性能良好的锂离子电池材料。
发明内容
本发明提供了一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，解决了现有技术。
为了解决该技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁盐溶液与NaH2PO4溶液混合，得混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液进行水热反应；
(3)将步骤(2)所得产物过滤，即得梭形氧化铁单晶纳米材料。
优选的，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任意一种。
优选的，所述铁盐为FeCl3·6H2O。
优选的，所述水热反应温度为80-120℃，所述水热反应时间为24-72小时。
优选的，所述铁盐溶液的摩尔浓度为0.2-0.5mol/L。
优选的，所述NaH2PO4溶液的摩尔浓度为0.01-0.05mol/L。
优选的，铁盐溶液与NaH2PO4溶液的摩尔量之比为100-500。
本发明还提供了一种所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法得到的梭形氧化铁单晶纳米材料在锂离子电池负极材料的应用。
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
本发明用一种简单简易的方法制备单分散的梭形氧化铁纳米单晶，材料具有单晶结构，适于电子的传输，减少传输过程中电子的耗散，并可大批量制备，产率高，材料成品稳定，适合工业生产。
铁盐和磷酸二氢钠价格低廉，不需要添加其他试剂，大大降低材料的生产成本，所制得的材料应用于锂离子电池负极展现出了大容量和优异的循环性能，远高于当前商业化的石墨负极材料。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为Fe2O3单晶纳米材料XRD图；
图2为本发明单分散梭形Fe2O3纳米材料TEM图；
图3为Fe2O3单晶纳米材料HRTEM图及FFT选区衍射图；
图4为本发明Fe2O3纳米材料在5A g-1电流密度下的不同圈数的充放电曲线；
图5为本发明在5Ag-1电流密度下循环性能曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
(1)将50mL 0.2mol/L的FeCl3·6H2O和10mL 0.01mol/L的NaH2PO4混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合液在80℃下水热反应72小时；
(3)将步骤(2)中反应后的样品进行过滤，将所得沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到梭形氧化铁单晶纳米材料；
将实施例中得到的三氧化二铁材料进行X射线衍射和电镜扫描，由图1可知，本发明得到的材料为三氧化二铁材料；由图2可以看出，所述三氧化二铁材料为梭形纳米材料，采用此法制备的三氧化二铁材料纯度高，没有其他杂质；图3表明，本实施例中得到的三氧化二铁材料为单晶结构。
锂离子电池的组装和性能测试:按照质量比80:20将三氧化二铁材料、导电炭黑混合均匀，按照质量比为20：80加入N-甲基吡咯烷酮并搅拌均匀，制得浆料；之后将浆料涂覆在铜箔上，经干燥、辊压后制得锂离子电池电极片。随后以锂片作为电极正极片，微孔聚丙烯膜为隔膜，1mol/L LiPF6(溶剂为等体积的碳酸二甲酯和碳酸二丙酯)为电解液，与此电极片在充满氩气的手套箱中装配成扣式锂离子电池。将锂离子电池静置24小时后，分别在5Ag-1电流下进行充放电循环性能测试，充放电压为0.01～2.5V之间。从图4-5可以看出，采用本方法制备的三氧化二铁材料作为电极材料，应用于锂离子电池首次放电比容量为1250mAh/g，在循环200圈后,稳定放电容量可达到700mAh/g，展现出了大容量和优异的循环性能，远高于当前商业化的石墨负极材料。本发明稳定的单晶结构，适于电子的传输，减少传输过程中电子的耗散。
实施例2
(1)将100mL 0.5mol/L的FeCl3·6H2O和2mL 0.05mol/L的NaH2PO4混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合液在120℃下水热反应24小时；
(3)将步骤(2)中反应后的样品进行过滤，将所得沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到梭形氧化铁单晶纳米材料；
锂离子电池的组装和性能测试与实施例1相同，稳定放电容量如表1所示。
实施例3
(1)将60mL 0.4mol/L的FeCl3·6H2O和5mL 0.04mol/L的NaH2PO4混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合液在120℃下水热反应24小时；
(3)将步骤(2)中反应后的样品进行过滤，将所得沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到梭形氧化铁单晶纳米材料；
锂离子电池的组装和性能测试与实施例1相同，稳定放电容量如表1所示。
实施例4
(1)将60mL 0.4mol/L的Fe(NO3)3·9H2O和5mL 0.04mol/L的NaH2PO4混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合液在120℃下水热反应24小时；
(3)将步骤(2)中反应后的样品进行过滤，将所得沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到梭形氧化铁单晶纳米材料；
锂离子电池的组装和性能测试与实施例1相同，稳定放电容量如表1所示。
实施例5
(1)将100mL 0.5mol/L的Fe2(SO4)3和2mL 0.05mol/L的NaH2PO4混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合液在120℃下水热反应24小时；
(3)将步骤(2)中反应后的样品进行过滤，将所得沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到梭形氧化铁单晶纳米材料；
锂离子电池的组装和性能测试与实施例1相同，稳定放电容量如表1所示。
表1各实施例样品稳定放电容量表
Figure BDA0002359031960000061
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铁盐溶液与NaH2PO4溶液混合，得混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液进行水热反应；
(3)将步骤(2)所得产物离心分离，干燥后即得梭形氧化铁单晶纳米材料。
2.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任意一种。
3.根据权利要求2所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐为FeCl3·6H2O。
4.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应温度为80-120℃。
5.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应时间为24-72小时。
6.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐溶液的摩尔浓度为0.2-0.5mol/L。
7.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，所述NaH2PO4溶液的摩尔浓度为0.01-0.05mol/L。
8.根据权利要求1所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法，其特征在于，铁盐溶液与NaH2PO4溶液的摩尔量之比为100-500。
9.根据权利要求1-8任一项所述梭形氧化铁单晶纳米材料的制备方法得到的梭形氧化铁单晶纳米材料在锂离子电池负极材料的应用。
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