CN103840137B - 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用 - Google Patents

一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN103840137B
CN103840137B CN201410037463.5A CN201410037463A CN103840137B CN 103840137 B CN103840137 B CN 103840137B CN 201410037463 A CN201410037463 A CN 201410037463A CN 103840137 B CN103840137 B CN 103840137B
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite
water hyacinth
lithium ion
ion battery
freeze drying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410037463.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103840137A (zh
Inventor
许炉生
柴维聪
朱凌燕
黄辉
甘永平
夏阳
张文魁
陶新永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN201410037463.5A priority Critical patent/CN103840137B/zh
Publication of CN103840137A publication Critical patent/CN103840137A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103840137B publication Critical patent/CN103840137B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用,所述Fe3O4/C复合材料的制备方法包括如下步骤:(1)将水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,然后把培养后的水葫芦进行冷冻干燥;(2)将冷冻干燥后的水葫芦与质量分数为10~30%的聚苯乙烯的DMF溶液混合,然后在氮气或氩气保护下以5~20℃/min的升温速率升至400~1000℃进行碳化2~7小时,碳化后冷却、研磨得到Fe3O4/C复合材料。本发明提供了所述的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用以及由此制得的锂离子电池。本发明的制备方法在改善环境重金属污染的同时具有原材料来源广泛、易于工业化实施、制备工艺简单、对环境友好的特点,制得的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料应用具有良好的循环性能和库伦效率。

Description

一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用
(一)技术领域
本发明涉及一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其作为锂离子电池负极材料的应用,以及由此制得的锂离子电池。
(二)背景技术
锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型绿色高能二次电池,已成为世界各国竞相研究开发的重点。在正、负极材料的选择上,正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物,负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。负极材料是锂离子电池的主要组成部分,负极材料性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能。锂电池负极材料有炭材料、含碳化合物和非炭材料,而应用最多的是炭材料。目前,开发和使用的锂离子电池负极材料主要有石墨、软碳、硬碳等,其中石墨负极材料的理论比容量可达372mAh/g。但是由于石墨本身结构特性的制约,石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈,比容量已经达到了极限、不能满足大型动力电池所要求的持续大电流能力等。为满足动力电池高比能量和高比功率的使用要求,近几年以Fe3O4与碳的复合材料为代表的新体系备受关注。Fe3O4的理论比容量为924mAh/g。Fe3O4具有来源丰富,而制备的电池安全性好等优点。
目前科研人员制备Fe3O4与碳的复合材料主要是通过还原Fe2O3与碳的复合材料而得到的。例如PengWang等所报道的AfacilesynthesisofFe3O4/Ccompositewithhighcyclestabilityasanodematerialforlithium-ionbatteries(JournalofPowerSources239(2013)466-474)。
水葫芦本身有很强的净化污水能力,它能吸收各种矿物质元素,例如,铁、硒、钴、镍等。现在的环境污染越来越严重,这种能够吸收矿物质的水葫芦对改善环境有很大的作用。
(三)发明内容
本发明第一个目的是提供一种利用水葫芦根制得的Fe3O4/C复合材料,该材料的制备方法在改善环境重金属污染的同时具有原材料来源广泛、易于工业化实施、制备工艺简单、对环境友好的特点,而制得的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料应用具有良好的循环性能和库伦效率。
本发明第二个目的是提供所述Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用,表现出良好的循环性能和库伦效率。
本发明的第三个目的是提供以所述Fe3O4/C复合材料作为负极材料的锂离子电池
下面具体说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料,所述Fe3O4/C复合材料的制备方法包括如下步骤:
(1)将水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,然后把培养后的水葫芦进行冷冻干燥;
(2)将冷冻干燥后的水葫芦与质量分数为10~30%的聚苯乙烯(PS)的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶液混合,然后在氮气或氩气保护下以5~20℃/min的升温速率升至400~1000℃进行碳化2~7小时,碳化后冷却、研磨得到Fe3O4/C复合材料。
所述步骤(1)中,水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,利用水葫芦对于铁元素强大的吸收能力提供制备复合材料所需的铁元素,同时起到净化水体的作用。本领域技术人员可以根据实际需要确定水葫芦的培养时间。在实验室条件下设计模拟水体时,由于三价铁在水中容易生成沉淀,故一般使用二价铁盐(优选氯化亚铁)、维生素C和纯净水组成模拟水体,其中维生素C的作用是防止亚铁离子氧化,具体的,水体中铁元素的含量为0.1~0.5g/L,优选为0.2g/L,维生素C的含量为0.1g/L。水葫芦在所述的模拟水体中培养时间一般在5~10天,优选为7天。
所述步骤(2)中,PS的质量分数优选为20~25%,最优选为20%。本发明对于水葫芦和PS的DMF溶液的投料比没有特别要求,一般每克水葫芦加入1~2mLPS的DMF溶液即可。
所述步骤(2)中,升温速率优选为5~18℃/min,更优选为5~10℃/min,最优选为5℃/min;碳化温度优选为为500~650℃,最优选为600℃;碳化时间优选为2~5小时,最优选4小时。
本发明具体推荐所述的Fe3O4/C复合材料按照如下步骤进行:
(1)将水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,然后把培养后的水葫芦进行冷冻干燥;
(2)将冷冻干燥后的水葫芦根和质量分数为20~25%的PS的DMF溶液混合,然后在氮气或氩气保护下以5~10℃/min的升温速率升至500~650℃碳化2~5小时,然后冷却、研磨得到Fe3O4/C复合材料。
本发明还提供了所述的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用,其中锂离子电池的制备采用常规方法。
最好,本发明提供了以所述的Fe3O4/C复合材料作为负极材料的锂离子电池。
本发明与现有技术相比,其有益效果主要体现在:
(1)水葫芦对包括铁元素在内的各种元素的吸收能力非常强,本发明采用水葫芦为铁元素的载体,可以改善环境重金属污染。
(2)本发明所用的原材料来源广泛、易得到,易于工业化实施;制备工艺简单,无废气废水排放,因而对环境友好。
(3)本发明中水葫芦不但充当了生物模板的作用还提供了一部分碳源,先利用水葫芦吸收铁元素,再使用聚苯乙烯(另一部分碳源)进行碳包覆,制得的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池的负极材料应用时表现出良好的循环性能和库伦效率。
(四)附图说明
图1是实施例1所制备的模拟锂离子电池的循环性能的图;
图2是实施例1所制备的Fe3O4/C复合材料的XRD衍射图。
(五)具体实施方法
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明,但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
将水葫芦在含有0.2g/L氯化亚铁和0.1g/L的VC的水体中培养一周,然后将培养后的水葫芦冷冻干燥。取0.2g冷冻干燥后的水葫芦根放入氧化铝瓷舟,加入2ml质量分数为20%的PS/DMF溶液。然后将氧化铝瓷舟放入管式炉中,在氮气的气氛下,以5℃/分钟的升温速率升至600℃并恒温4小时,自然冷却后研磨得到Fe3O4/C复合材料。图2为该材料的XRD衍射图,对照标准卡,为磁性氧化铁。
用实施例1所制得的Fe3O4/C复合材料按下述方法制成电极。
以70:20:10的质量比分别称取Fe3O4/C复合材料:super-P:聚偏四氟乙烯,研磨均匀后制成电极,金属锂片为正极,电解液为1mol/LLiPF6/EC–DMC(1:1),聚丙烯微孔薄膜为隔膜,组装成模拟锂离子电池。图1为相应电池在0.1C、0.005–3.0V电压范围内的循环性能曲线,表明所测电池在0.1C有良好的循环性能和库伦效率高达99%,可以看出由实施例1制得的Fe3O4/C复合材料在0.1C循环100次后的放电容量接近340mAh/g(图1),循环性能优异。
实施例2
将水葫芦在含有0.2g/L氯化亚铁和0.1g/L的VC的水体中培养一周,然后将培养后的水葫芦冷冻干燥。取0.2g冷冻干燥后的水葫芦根放入氧化铝瓷舟,加入2ml质量分数为20%的PS/DMF溶液。然后将氧化铝瓷舟放入管式炉中,在氮气的气氛下,以10℃/分钟的升温速率升至500℃并恒温4小时,自然冷却后研磨得到Fe3O4/C复合材料。
用所制得的Fe3O4/C复合材料按实施例1的方法制成电极,组装成模拟锂离子电池,0.1C循环100次后的放电容量接近300mAh/g,循环性能良好。
实施例3
将水葫芦在含有0.2g/L氯化亚铁和0.1g/L的VC的水体中培养一周,然后将培养后的水葫芦冷冻干燥。取0.2g冷冻干燥后的水葫芦根放入氧化铝瓷舟,加入2ml质量分数为25%的PS/DMF溶液。然后将氧化铝瓷舟放入管式炉中,在氩气的气氛下,以10℃/分钟的升温速率升至600℃并恒温2小时,自然冷却后研磨得到Fe3O4/C复合材料。
用所制得的Fe3O4/C复合材料按实施例1的方法制成电极,组装成模拟锂离子电池,0.1C循环100次后的放电容量接近,300mAh/g,循环性能良好。
实施例4
将水葫芦在含有0.2g/L氯化亚铁和0.1g/L的VC的水体中培养一周,然后将培养后的水葫芦冷冻干燥。取0.2g冷冻干燥后的水葫芦根放入氧化铝瓷舟,加入2ml质量分数为25%的PS/DMF溶液。然后将氧化铝瓷舟放入管式炉中,在氮气或氩气的气氛下,以5℃/分钟的升温速率升至550℃并恒温2小时,自然冷却后研磨得到Fe3O4/C复合材料。
用所制得的Fe3O4/C复合材料按实施例1的方法制成电极,组装成模拟锂离子电池,0.1C循环100次后的放电容量接近280mAh/g,循环性能一般。

Claims (10)

1.一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料,所述Fe3O4/C复合材料的制备方法包括如下步骤:
(1)将水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,然后把培养后的水葫芦进行冷冻干燥;
(2)将冷冻干燥后的水葫芦与质量分数为10~30%的聚苯乙烯的DMF溶液混合,然后在氮气或氩气保护下以5~20℃/min的升温速率升至400~1000℃进行碳化2~7小时,碳化后冷却、研磨得到Fe3O4/C复合材料。
2.如权利要求1所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:所述步骤(2)中,升温速率为5~18℃/min。
3.如权利要求1所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:所述步骤(2)中,升温速率为5~10℃/min。
4.如权利要求1~3之一所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:碳化温度为500~650℃,碳化时间为2~5小时。
5.如权利要求4所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:碳化温度为600℃,碳化时间为4小时。
6.如权利要求1~3之一所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:所述聚苯乙烯的DMF溶液中,聚苯乙烯的质量分数为20~25%。
7.如权利要求1所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于所述的Fe3O4/C复合材料按照如下步骤进行:
(1)将水葫芦在含有铁元素的水体中进行培养,然后把培养后的水葫芦进行冷冻干燥;
(2)将冷冻干燥后的水葫芦根和质量分数为20~25%的聚苯乙烯的DMF溶液混合,然后在氮气或氩气保护下以5~10℃/min的升温速率升至500~650℃碳化2~5小时,然后冷却、研磨得到Fe3O4/C复合材料。
8.如权利要求7所述的Fe3O4/C复合材料,其特征在于:所述步骤(2)中,升温速率为5℃/min,碳化温度为600℃,碳化时间为4小时。
9.如权利要求1所述的Fe3O4/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。
10.以权利要求1所述的Fe3O4/C复合材料作为负极材料制得的锂离子电池。
CN201410037463.5A 2014-01-26 2014-01-26 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用 Active CN103840137B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410037463.5A CN103840137B (zh) 2014-01-26 2014-01-26 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410037463.5A CN103840137B (zh) 2014-01-26 2014-01-26 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103840137A CN103840137A (zh) 2014-06-04
CN103840137B true CN103840137B (zh) 2016-02-24

Family

ID=50803421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410037463.5A Active CN103840137B (zh) 2014-01-26 2014-01-26 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103840137B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105789564B (zh) * 2015-12-31 2018-05-15 中国科学院深圳先进技术研究院 一种用于锂离子电池负极材料的Fe3O4/C复合材料及其制备方法和用途
CN106732418A (zh) * 2016-12-07 2017-05-31 江南大学 一种以水葫芦为原料制备磁性吸附材料的方法
CN108428877A (zh) * 2018-03-28 2018-08-21 成都理工大学 纳米Fe3O4@C原位复合多孔锂离子电池负极材料及其制备方法
CN109675564B (zh) * 2019-01-17 2022-06-03 三峡大学 水葫芦铁生物炭的制备方法及其应用
CN109847750B (zh) * 2019-01-17 2022-03-18 三峡大学 香蒲根富集铁元素的生物炭的制备方法及其应用
CN109850887A (zh) * 2019-01-17 2019-06-07 三峡大学 蜈蚣草富集铜元素的生物炭的制备方法及其应用
CN111468502B (zh) * 2019-01-24 2022-02-22 湖南农业大学 一种重金属污染的植物茎秆处理及高值化利用方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101780952A (zh) * 2010-03-26 2010-07-21 上海交通大学 负载功能氧化物多孔炭的制备方法
JP2012071295A (ja) * 2010-09-02 2012-04-12 Yamato:Kk 水生植物を用いた水処理方法
WO2012131321A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 The Morgan Crucible Company Plc Lithium ion batteries and electrodes therefor
CN102814163A (zh) * 2012-09-03 2012-12-12 湖南农业大学 高效去除四环素的磁性生物炭的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101780952A (zh) * 2010-03-26 2010-07-21 上海交通大学 负载功能氧化物多孔炭的制备方法
JP2012071295A (ja) * 2010-09-02 2012-04-12 Yamato:Kk 水生植物を用いた水処理方法
WO2012131321A1 (en) * 2011-03-25 2012-10-04 The Morgan Crucible Company Plc Lithium ion batteries and electrodes therefor
CN102814163A (zh) * 2012-09-03 2012-12-12 湖南农业大学 高效去除四环素的磁性生物炭的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103840137A (zh) 2014-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103840137B (zh) 一种利用水葫芦制得的Fe3O4/C复合材料及其应用
Zhang et al. Sustainable and facile method for the selective recovery of lithium from cathode scrap of spent LiFePO4 batteries
CN104953199B (zh) 利用锂离子电池正极废料合成的金属掺杂镍钴锰酸锂及其制备方法和用途
CN102364726B (zh) 碳还原制备锂离子电池用磷酸锰铁锂复合正极材料的方法
CN102738465B (zh) 一种磷酸锰铁锂正极复合材料的制备方法
CN107785548B (zh) 一种FeS2和S复合材料的制备方法及应用
CN104993125A (zh) 一种锂离子电池新型负极材料Fe3O4/Ni/C的制备方法
CN102903898A (zh) 一种石墨与过渡金属氧化物复合负极材料及其制备方法
CN102097616A (zh) 一种高能量和高功率密度型纳米磷酸铁锂粉体的制备方法
CN101577328B (zh) 一种LiFePO4/C复合正极材料的制备方法
CN105514432A (zh) 一种磷酸铁锂复合正极材料及其制备方法
CN110021747B (zh) 一种以酸洗铁红为原料制备磷酸铁锂正极材料的方法
CN104600260B (zh) 一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料及其制备方法和应用
CN105576237A (zh) 一种添加Zn的锂离子电池正极材料及其制备方法
CN103165890A (zh) 一种采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备磷酸钒锂的方法
CN104103835B (zh) 一种用于钠离子电池的负极材料及其制备方法
CN103840152B (zh) 一种利用水稻根制得的Fe3O4/C复合材料及其应用
CN105591103A (zh) 一种锂离子电池正极材料的改性工艺
CN102097615A (zh) 锂离子电池LiFePO4/C复合正极材料制备方法
CN102332582A (zh) 一种新型的磷酸钒锂/竹炭复合正极材料的制备方法
CN103187560B (zh) 一种仿动物鳞片状结构的硫碳复合材料及其应用
CN105322162B (zh) 一种高性能磷酸铁锂复合正极材料的制备方法
CN108054341A (zh) 一种石墨烯/硅碳复合材料的制备方法
CN103531754A (zh) 石墨烯/二氧化硅/铜/硅/软碳叠层复合负极材料的制备方法
CN103840138B (zh) 一种利用藻类制得的Sn/C复合材料及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant