CN103022474A - 锂离子电池负极材料Fe2O3及其制备方法 - Google Patents

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张晶晶
黄桃
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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体为一种锂离子电池负极材料Fe2O3及其制备方法。本发明方法的步骤包括：称取金属盐水合物FeCl3·6H2O，溶于去离子水中，加入赖氨酸，作为沉淀剂，搅拌均匀；进行水热反应；然后经过水洗、乙醇洗，离心、干燥，得到由纳米颗粒堆积出来的多孔Fe2O3微球。本发明方法，工艺简单，原材料便宜无毒，产率高，重现性好。制备的多孔Fe2O3微球大小均匀，电化学测试显示出较高的比容量和优异的循环性能，克服了该材料作为锂离子电池负极材料时循环性能、倍率性能差的缺点。

Description

锂离子电池负极材料Fe2O3及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。 
背景技术
随着电子科技和信息产业的发展，特别是各种便携式电子设备，如移动电话、摄像机、笔记本电脑等向高性能、小型化的方向发展，人们需要高性能的电源作为动力保障。锂离子电池由于具有高电压、高能量密度、自放电小、循环寿命长、无污染和无记忆效应等优点，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等电器设备上,在电动汽车、卫星、航天航空以及空间军事等领域也显示出了良好的应用前景和潜在的经济效益。
目前的锂离子电池比能量受限于正、负极材料的比容量，一般只能达到80-150 Wh Kg-1,很难满足智能设备、智能电网和电动汽车等新技术对二次电池比能量的苛刻要求。目前商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，由于石墨的理论嵌锂容量仅为372 mA h g-1，而且实际应用的材料已达到370 mA h g-1，因此该类材料在容量上几乎已无提升空间。为了提高锂离子电池的比容量，各种新型的高能负极材料被开发出来，其中，过渡金属氧化物Co3O4，NiO，Fe3O4，Fe2O3，CuO性能研究备受关注。过渡金属氧化物充放电过程发生的是转化反应MOx+ 2xLi++2xe- = M+xLi2O,不同于传统锂离子电池材料的插嵌理论。因为转化反应中每摩尔活性物质对应2-6个电子转移，所以具有比现在商业用的石墨负极材料更高的理论比容量。其中，Fe2O3由于具有环境友好，价格低廉，资源丰富，理论比容量高 (1008 mA h g-1) 等优点被广泛研究。但是其循环稳定性和倍率性能依然达不到实际应用的要求。这个缺陷主要源于循环过程中活性物质体积的变化和动力学的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单，产率高，颗粒大小分布均匀，循环性能好的锂离子电池负极材料Fe2O3及其制备方法。
本发明提出的锂离子电池负极材料Fe2O3的制备方法，是以赖氨酸作为沉淀剂，经水热反应，制备得多孔Fe2O3微球，具体步骤为：
称取金属盐水合物FeCl3·6H2O，溶于去离子水中，加入赖氨酸，作为沉淀剂，搅拌均匀；水热反应温度为140-200 oC，反应时间为4-12 h；然后经过水洗、乙醇洗，离心、干燥，得到由纳米颗粒堆积出来的多孔Fe2O3微球。
本发明中，所述赖氨酸与金属盐的质量比为1:0.5-1。
由本发明方法合成出来的材料是由纳米颗粒堆积出来的多孔Fe2O3微球，应用为锂离子电池负极材料时具有很大的优势。首先，纳米结构的电极材料相对于以往的微米级材料，不仅缩短了锂离子和电子的传输路径，而且电解液与电极材料的接触面积变大使得反应速度加快，极大地提高了材料的倍率性能。同时，纳米颗粒自发堆积成微球，使得材料的体积比容量得到了提高，而且有利于电池制作工艺中涂布过程的掌控，使得膜的质量和厚度可以得到更好的控制。纳米颗粒之间形成的孔道，也有利于锂离子和电子的传输和电解液的浸透，同时也可以缓解材料充放电过程中体积的膨胀，避免了材料的粉化，从而提高了材料的循环性能。
本发明方法，以赖氨酸作为沉淀剂，原料便宜无毒，工艺简单，重现性好，产率高，制备的多孔Fe2O3微球结构稳定，大小分布均匀。应用于锂离子电池负极材料时，电化学性能优异。
附图说明
图1是本发明产品的X-射线衍射图。
图2是本发明产品的扫描电镜照片。其中，a，b，c为实施例1，d为实施例2，e为实施例3。
图3是本发明产品的透射电镜照片。
图4是本发明产品微结构图示。其中，a 为比表面图，b为孔径分布图。
图5是产品的电化学性能。其中，5a是充放电曲线图，b是循环图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：本例为多孔Fe2O3微球的制备方法，其步骤为：
a. 称取1.3515 g的FeCl3·6H2O加入到30 mL 去离子水中，得到澄清的水溶液。
b. 在磁力搅拌下，加入2 g的赖氨酸，搅拌30 min。
c. 将上述溶液倒入50 mL 的聚四氟乙烯水热釜中，180 oC水热反应12 h。
d. 自然降温，将离心处理得到的产物分别水洗、醇洗三遍，60 oC真空干燥12 h。
本实施例产品的X射线衍射数据见图1。从图中可以看出，水热反应所得产物为纯相的α- Fe2O3晶体。
本实施例样品的扫描电镜图和透射电镜图见图2a，b，c和图3。从其电镜图可以看出，所得产物是大小为2 μm的均匀分布的微球。该微球由大小为50 nm左右的纳米颗粒堆积出来，纳米颗粒之间形成了孔道结构。
本实施例产品的比表面积和孔径分布见图4。从图4a中可以看出，在0.5到1.0 P/P0之间有一个明显的滞后圈，比表面积大小为15 m2 g-1。由图4b可知所得产物中存在大小为3 nm到10 nm的纳米孔。
本实施例产品的电化学循环性能见图5a，b。
实施例2：除步骤c中的水热反应条件为180 oC， 4 h，其余步骤与实施例1方法相同。
本实施例扫描电镜数据见图2d。从其扫描电镜图可以看出，所得样品是大小为100 nm左右的颗粒。
实施例3：除步骤c中的水热反应条件为180 oC，8 h，其余步骤与实施例1方法相同。
本实施例扫描电镜图片见图2e。从其扫描电镜图可以看出，所得样品既有纳米颗粒，又有微球。可见随着反应时间的延长，纳米颗粒自组装成微球，以减小表面能。当反应时间达到12 h时，均匀的微球形成。

Claims (3)

1.一种锂离子电池负极材料Fe2O3的制备方法，其特征在于以赖氨酸作为沉淀剂，经水热反应，制备得多孔Fe2O3微球，具体步骤为：
称取金属盐水合物FeCl3·6H2O，溶于去离子水中，加入赖氨酸，作为沉淀剂，搅拌均匀；水热反应温度为140-200 ℃，反应时间为4-12 h；然后经过水洗、乙醇洗，离心、干燥，得到由纳米颗粒堆积出来的多孔Fe2O3微球。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述赖氨酸与金属盐的质量比为1:0.5-1。
3.由权利要求1所述的方法制备得到的锂离子电池负极材料Fe2O3。
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