CN103579614B - 原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法。以具有三维立体开放结构的纳米阵列（CTiO2、CTiC等纳米线阵列）为基体，以Fe盐溶液为沉积母液，利用恒电流、恒电势、循环伏安、以及脉冲方波伏安等电沉积技术，将金属Fe薄膜沉积在的基体上,然后将其放入生长溶液中进行原位生长一段时间，最后通过在空气中煅烧形成Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料。本发明能制备出比容量高、倍率性能大、循环性能好的锂离子电池负极。由于电极的结构是三维立体结构可以使活性物质充分与电解液接触，有效地增加了电子/离子的传递。

Description

原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种锂离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，化石燃料的耗尽以及越来越严重的环境问题，对于有效，清洁和可持续发展的清洁能源越来越为迫切。近年来，锂离子（Lithium ion battery）吸引了大量的关注，主要是由于他们的高功率密度大，生命周期长，能够弥补传统介电电容器（具有高功率输出）容量小和电池、燃料电池（具有高能量储存）功率密度低的缺点。一般来讲，锂离子电池的负极材料是近年研究的热点，也是影响锂离子电池发展的重要因素。锂离子电池负极材料应具有的基本条件，主要有以下方面：(1)锂在该材料的嵌入电位比较低，尽可能接近金属锂的电位；(2)嵌入化合物具有较好的电子导电率和离子导电率，锂离子在材料内部以及表面的扩散速率均较大；(3)该材料能与电解液具有比较好的兼容性，同时在表面形成稳定的固体电解质膜（SEI膜，Solid Electrolyte Interface）；(4)在锂离子的嵌入与脱出中，主体材料的体积和结构变化均比较小，同时锂离子的嵌入与脱出容量比较大；(5)该材料价廉，对环境无污染。传统的锂离子电池电极的制备方法，是将活性物质粉末与粘结剂混合成糊状，然后涂覆在基体上（铝箔、铜箔），这种方法制备的电极由于粘结剂的存在会导致较低的导电性，而且部分活性物质不能与电解液接触从而成为“死面积”。为了解决这个问题，近年来，具有三维立体结构的纳米材料作为锂离子电池的电极引起了广泛的研究。这种结构的电极可以使活性物质充分的接触电解液，并且一些特殊的纳米形貌也可以增加电极表面积，从而促进电荷的传递，利于能量的储存。目前处于研究中的负极材料主要有：碳材料、过渡金属氧化物、硅基材料、锡基材料等。在这些可以应用的锂离子电池负极的材料中，金属氧化物（如Co3O4、MnO2、NiO、Fe3O4等）由于比传统的含碳材料具有较高的比容量（是碳材料的2-3倍）得到了广泛的研究。在这些金属氧化物中，以Fe3O4为负极材料的锂离子电池理论比容量可以达到926mA hg-1，并且其低毒，贮量丰富，与其他含有钒，钴或者铁的材料相比具有较高的安全性。它的密度为5.17g cm-3,远远高于碳材料（2.268g cm-3），这就意味着它的体积能量密度是碳材料的很多倍。可参阅A.Hu,X.Chen,Y.Tang,Q.Tang,L.Yang,S.Zhang,Self-assembly of Fe3O4nanorods on graphene for lithium ion batteries with high rate capacity and cycle stability.Electrochemistry Communication,28(2013)139-142.以及M.Zhang,X.Yin,Z.Du,S.Liu,L.Chen,Q.Li,H.Jin,K.Peng,T.Wang,Fe3O4dendrites reduced by carbon-coatings as high reversible capacity anodes for lithium ion batteries，Solid State Sciences,12(2010) 2024-2029。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容量高、倍率性能大、循环性能好的原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
（1）将Fe的盐与三乙醇胺充分溶解在超纯水中，磁力搅拌15min，使Fe2+在溶液中的浓度为0.05mol·L-1～0.5mol·L-1，三乙醇胺在溶液中的浓度为0.1mol·L-1～2.0mol·L-1；
（2）以CTiO2或CTiC纳米线阵列为工作电极（代表“包覆”），铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系；恒电流电沉积，电流为-0.005A cm-2～-2.5A cm-2；恒电势电沉积电压为-0.01V～-3V；脉冲电势电沉积上限电压为0V～1V，下限电压为-0.5～5V，频率为10Hz～100Hz;电沉积时间为5min～20min；
（3）将沉积好金属Fe膜的工作电极放入以乙醇-水为混合溶剂，草酸为溶质的溶液中进行原位生长，其中乙醇与水的体积比为95:5、7:3或1:1，草酸的浓度为0.1mol·L-1～1.0mol·L-1，生长时间为1h～5h，生长温度为25℃～45℃；
（4）最后将步骤（3）所制备的电极在空气中煅烧，煅烧温度为250℃～400℃，煅烧时间为1h～5h。
所述的Fe的盐为FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。
本发明是以具有三维立体开放结构的纳米阵列（CTiO2、CTiC等纳米线阵列；代表''包覆''）为基体，以Fe盐溶液为沉积母液，利用恒电流、恒电势、循环伏安、以及脉冲方波伏安等电沉积技术，将金属Fe薄膜沉积在的基体上,然后将其放入生长溶液中进行原位生长一段时间，最后通过在空气中煅烧形成Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料。
本发明的优点是：基体采用具有三维立体结构的纳米阵列（CTiO2、CTiC等纳米线阵列），将Fe-Fe3O4通过原位技术直接生长在基体上，制备出比容量高、倍率性能大、循环性能好的锂离子电池负极。由于电极的结构是三维立体结构可以使活性物质充分与电解液接触，有效地增加了电子/离子的传递。此外，由于制备方法简单，可操作性强，且原料来源广泛，可广泛地应用于锂离子电池负极材料的制备。
附图说明
图1给出的是按照本发明具体实施例1的方法制备的Fe-Fe3O4/CTiC电极的不同倍率性能曲线。
图2给出的是按照本发明具体实施例1制备的Fe-Fe3O4/CTiC电极的循环稳定性图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的效果，下面以具体实例加以说明。
实施例1
将CTiC纳米线阵列作为基体在0.25mol L-1FeSO4+70mL L-1triethanolamine沉积液中，恒定电流-0.010A cm-2,沉积10min，得到金属Fe膜。在含有0.3mol L-1H2C2O4，5%H2O的混合溶液中浸泡3h，浸泡温度为45℃。然后将制备的样品放入马弗炉中，空气中煅烧2h,煅烧温度为400℃，得到最终的Fe-Fe3O4/CTiC电极。组装成扣式锂离子电池进行倍率性能测试。结果表明，在1C充放电电流下，比容量高达1080mAh g-1。
实施例2
将CTiO2纳米线阵列作为基体在0.1mol L-1FeSO4+35mL L-1triethanolamine沉积液中，恒定电压-1V,沉积5min，得到金属Fe膜。在含有0.3mol L-1H2C2O4，50%H2O的混合溶液中浸泡1.5h，浸泡温度为25℃。然后将制备的样品放入马弗炉中，空气中煅烧3h,煅烧温度为350℃，得到最终的Fe-Fe3O4/CTiO2电极。组装成扣式锂离子电池进行倍率性能测试。结果表明，在2C充放电电流下，比容量可达780mAh g-1。
实施例3
将CTiC纳米线阵列作为基体在0.5mol L-1FeSO4+70mL L-1triethanolamine沉积液中，恒定电压-0.2V,沉积15min，得到金属Fe膜。在含有0.5mol L-1H2C2O4，70%H2O的混合溶液中浸泡2h，浸泡温度为35℃。然后将制备的样品放入马弗炉中，空气中煅烧2h,煅烧温度为400℃，得到最终的Fe-Fe3O4/CTiC电极。组装成扣式锂离子电池进行倍率性能测试。结果表明，在5C充放电电流下，比容量高达540mAh g-1。
实施例4
将CTiO2纳米线阵列作为基体在0.6mol L-1MnSO4+70mL L-1triethanolamine沉积液中，进行脉冲电压电沉积，其中上限电压为0V,下限电压为-1V,频率为100Hz,沉积20min，得到金属Fe膜。在含有0.7mol L-1H2C2O4，10%H2O的混合溶液中浸泡2.5h，浸泡温度为45℃。然后将制备的样品放入马弗炉中，空气中煅烧2h,煅烧温度为400℃，得到最终的Fe-Fe3O4/CTiO2电极。组装成扣式锂离子电池进行倍率性能测试。结果表明，在1C充放电电流下，比容量高达840mAh g-1。

Claims (2)

1.一种原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是：
(1)将Fe的盐与三乙醇胺充分溶解在超纯水中，磁力搅拌15min，使Fe2+在溶液中的浓度为0.05mol·L-1～0.5mol·L-1，三乙醇胺在溶液中的浓度为0.1mol·L-1～2.0mol·L-1；
(2)以C包覆TiO2或C包覆TiC纳米线阵列为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系；采用下列方式之一进行电沉积，恒电流电沉积，电流为-0.005A cm-2～-2.5A cm-2；恒电势电沉积电压为-0.01V～-3V；脉冲电势电沉积上限电压为0V，下限电压为-1V，频率为10Hz～100Hz；电沉积时间为5min～20min；
(3)将沉积好金属Fe膜的工作电极放入以乙醇-水为混合溶剂，草酸为溶质的溶液中进行原位生长，其中乙醇与水的体积比为95:5、7:3或1:1，草酸的浓度为0.1mol·L-1～1.0mol·L-1，生长时间为1h～5h，生长温度为25℃～45℃；
(4)最后将步骤(3)所制备的电极在空气中煅烧，煅烧温度为250℃～400℃，煅烧时间为1h～5h。
2.根据权利要求1所述的原位合成的Fe-Fe3O4复合的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是：所述的Fe的盐为FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。
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