CN104051729B - 用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，是先以改进的化学法制备氧化石墨烯；再以氧化石墨烯、镍源和铁源为主原料、尿素为沉淀剂，用水热法一步原位还原得到前躯体；然后对前驱体离心、洗涤和干燥，将其置于气氛管式炉中热处理。本发明制备的复合材料能使石墨烯均匀的将NiFe2O4纳米微球分散开，在降低颗粒的团聚的同时增大复合材料的比表面积。其复合活性材料在0.01 V~3.0 V电压范围内，50 mA/g的电流密度下，首次放电容量达1900 mAh/g，其电化学性能优异。本发明工艺流程简单，产物纯度高，原料来源广泛，易于产业化，所制备的纳米复合材料可以应用于新能源领域。

Description

用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源、新材料领域，具体涉及一种NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种绿色新型电源，具有放电比容量大、能量密度高、工作电压高、自放电小、无记忆效应、循环寿命长且安全的优点，已经广泛应用于数码相机、笔记本电脑、手机等各种便携式电子设备，还有望成为下一代混合动力系统汽车、航空航天的储能装置。作为推动锂离子电池发展的关键部分负极材料，已成为科研人员关注的热点。
石墨碳因具有适合锂离子嵌入/脱出的层状结构、良好的导电性、化学稳定性和较低的成本等一系列优点，是目前商业化最成功的负极材料，但石墨碳负极材料的理论比容量仅有372 mAh/g，且在充放电过程中容易形成固体电解质膜，产生不可逆容量，库伦效率低，难以满足便携式电子设备对高能量密度的要求。因此寻求一种高比容量且循环性能良好的新型负极材料成为锂离子电池研究的重要课题。
尖晶石结构的过渡金属氧化具有较高的理论比容量，能与锂发生可逆的脱嵌锂反应，原料来源广泛、制备方法简单、对环境友好，有可能成为下一代锂离子电池负极的理想材料。其中NiFe2O4的理论比容量为915 mAh/g，远高于石墨碳材料，具有良好的电化学性能（Ding Y，Journal of Power Sources，2013，244：610-613），但是NiFe2O4的导电性低、充放电过程中体积膨胀效应大而导致容量衰减严重、不可逆容量大、循环性能差（Zhao H，Electrochemistry Communication，2007，9：2606-2610；Abrca C V，Journal of ChemicalPhysics C，2010，114：12828-12832），制约其实际应用的发展。中国发明专利（CN103700842 A）描述了一种NiFe2O4/C锂离子电池负极材料及制备，该方法在碱性环境下采用联氨作为还原剂制备负极材料前驱体，采用非石墨化碳进行复合制得负极材料，非石墨化碳能增加材料的导电性，但是非石墨化碳不可逆容量很高，存在电压滞后现象，对材料的电化学性能提升有限。
石墨烯是在2004年由Giem等发现的一种单原子厚度的二维平面结构的碳纳米材料（Geim A K，Nature materials，2007，6：183-191；Novoselov K S，Science，2004，306：666–669），具有独特导电性能、高比表面积（>2623 m2/g）和化学稳定性等优异的特性，但是石墨烯在制备过程以及单独作为负极材料应用时容易发生团聚，严重影响其本身的性能。
发明内容
本发明提供了一种NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料的制备方法。解决石墨烯在制备过程以及单独作为负极材料应用时容易发生团聚，严重影响其本身的性能的问题。
本发明的技术方案为：
用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，采用氧化石墨烯、镍源、铁源和沉淀剂尿素在水热环境下一步原位还原制得NiFe2O4/纳米复合材料。
具体其步骤为：
（1）将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声搅拌使其完全溶解；将镍源和铁源按照镍铁摩尔比为1︰2溶解在去离子水中，搅拌均匀；然后将适量的尿素加入到上述溶液；
（2）将步骤（1）所配溶液混合均匀，超声搅拌后，将溶液转移至高压反应釜中进行水热反应；反应完全后，将反应釜冷却至室温，抽滤产物、洗涤、干燥，得到粉末状的前躯体。将前躯体置于气氛管式炉中热处理后即可制得NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料。
进一步地，所述氧化石墨烯的浓度为2~8 mg/ml。
进一步地，所述镍源为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、醋酸镍中的至少一种；铁源为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种。
进一步地，所述沉淀剂尿素与镍源和铁源的摩尔比为（8~32）︰1︰2。
进一步地，所述水热反应条件是：保温温度为160~200 ℃，保温时间为6~24 h。
进一步地，所述保护气体为氩气、氮气、氩气+氢气、氮气+氢气中的一种。
进一步地，所述气氛环境中热处理条件是：升温速率为1 ℃/min~10 ℃/min，热处理温度为400~600 ℃，热处理时间3小时。
进一步地，步骤（2）中洗涤、干燥方法为：用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h。
氧化石墨烯的制备方法为：按照每3 g鳞片石墨施加360 ml浓硫酸、40 ml浓磷酸和18 g高锰酸钾的比例将反应物混合，反应体系温度控制在35~40 ℃，搅拌1~3 h，然后将反应体系缓慢升温至50 ℃，持续搅拌12 h进行鳞片石墨的氧化剥离，将鳞片石墨氧化剥离液缓慢倒入400 ml去离子水中，继续搅拌，溶液冷却至室温后，加入适量的双氧水还原残余的氧化剂，溶液变为亮黄色，离心分离亮黄色溶液，以去离子水、稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，直至洗至中性后得到氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料置于60 ℃下真空干燥，得到薄纸状氧化石墨烯。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料的制备方法，是由氧化石墨烯与镍源和铁源等原料，通过水热法一步原位还原合成了NiFe2O4/石墨烯纳米复合材料，其合成方法简单，产物纯度高，复合材料粒度均匀、产品稳定性好。
2、该方法制备的NiFe2O4/石墨烯复合材料由石墨烯将NiFe2O4纳米颗粒均匀的分散，降低了NiFe2O4颗粒的团聚程度。同时，石墨烯的引入，增大了材料的比表面积，能提高材料的导电性，减小NiFe2O4在充放电过程中的体积膨胀效应，增强材料的电化学稳定性。
3、用NiFe2O4/石墨烯复合活性材料制备的锂离子电池负极具有平稳的充放电电压平台，较高的放电比容量，在0.01 V~3.0 V的电压范围内，50 mA/g的电流密度下，首次放电比容量为1900 mAh/g。
4、NiFe2O4/石墨烯复合锂离子电池负极活性材料具有良好的循环性能，在0.01 V~3.0 V的电压范围内，50 mA/g的电流密度下，20次循环后材料的可逆比容量保持在927mAh/g。
5、在水热环境下尿素既可做沉淀剂，使NiFe2O4沉淀下来。
附图说明
图1 NiFe2O4/石墨烯复合材料的X射线衍射图；
图2 NiFe2O4/石墨烯复合材料的扫描电镜图；
图3 NiFe2O4/石墨烯复合材料的透射电镜图；
图4 NiFe2O4/石墨烯复合材料的充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种更替或变更，均包含在本发明的范围内。
实施例1
制备氧化石墨烯的具体过程是：按照每3 g鳞片石墨施加360 ml浓硫酸、40 ml浓磷酸和18 g高锰酸钾的比例将反应物混合，反应体系温度控制在35℃，搅拌3 h，然后将反应体系缓慢升温至50 ℃，持续搅拌12 h进行鳞片石墨的氧化剥离。将鳞片石墨氧化剥离液缓慢倒入400 ml去离子水中，继续搅拌，溶液冷却至室温后，加入适量的双氧水还原残留的氧化剂，溶液变为亮黄色，离心分离亮黄色溶液，以去离子水、稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，直至洗至中性后得到氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料置于60 ℃下真空干燥，得到薄纸状氧化石墨烯。
NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料的制备，具体过程是：将制得的氧化石墨烯0.4 g加入到200ml去离子水中，超声搅拌30 min直至溶解完全；按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g （0.02 mol）的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g（0.32 mol）的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入180 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到粉末状的前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃下氩气管式炉中热处理3 h即可制得NiFe2O4/石墨烯复合材料，由图1可见，该法制备的NiFe2O4/石墨烯无杂峰，属高纯产物，同时石墨烯能均匀分散NiFe2O4纳米微粒而无团聚现象（见图2、图3）。
将制备的NiFe2O4/石墨烯纳米复合材料、乙炔黑和粘结剂（质量分数2.5 %的PVDF溶液）以85：10：5的质量比混合，N-甲基吡咯烷酮作为分散剂，研磨均匀涂覆在铜箔上，在105 ℃真空干燥箱干燥8h制得电极片。以锂片为对电极和参比电极，1.0 mol•L-1的LiPF6/EC+DEC(1:1,V:V)为电解液在氩气氛围下的手套箱内组装成模拟电池，隔膜为Celgard2004膜。室温下，在新威测试系统进行充放电和循环稳定性测试。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，第三次放电容量为1087 mAh/g，循环10次后的放电容量为570 mAh/g，容量保持率为52 %（见图4）。
实施例2
氧化石墨烯的制备同实施例1。
将制得的氧化石墨0.8 g加入到200ml去离子水中，超声搅拌30 min直至溶解完全；按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g (0.02 mol)的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g (0.32 mol)的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入180 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到粉末状的前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃下氩气管式炉中热处理3 h即可制得NiFe2O4/石墨烯复合材料材料。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，第三次放电容量为1417 mAh/g，循环10次后的放电容量为1313 mAh/g，容量保持率为92 %。
实施例3
氧化石墨烯的制备同实施例1。
将制得的氧化石墨1.6 g加入到200ml去离子水中，超声搅拌30 min直至溶解完全；按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g (0.02 mol)的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g (0.32 mol)的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入180 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到粉末状的前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃下氩气管式炉中热处理3 h即可制得NiFe2O4/石墨烯复合材料。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，第三次放电容量为997 mAh/g，循环10次后的放电容量为895 mAh/g，容量保持率为89 %。
实施例4
氧化石墨烯的制备同实施例1。
将制得的氧化石墨烯0.8 g加入到200ml去离子水中，超声搅拌30 min直至溶解完全；按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g (0.02 mol)的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g (0.32 mol)的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入160 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到粉末状的前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃下氩气管式炉中热处理3 h即可制得NiFe2O4/石墨烯复合材料。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，首次放电容量为915 mAh/g。
实施例5
氧化石墨烯的制备同实施例1。
将制得的氧化石墨0.8 g加入到200ml去离子水中，超声搅拌30 min直至溶解完全；按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g (0.02 mol)的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g (0.32 mol)的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入200 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到粉末状的前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃下氩气管式炉中热处理3 h即可制得NiFe2O4/石墨烯复合材料。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，首次放电容量为957 mAh/g。
对照例：
NiFe2O4锂离子电池负极活性材料的制备，具体过程是：按镍铁摩尔比1：2的比例加入5.8162 g (0.02 mol)的六水硝酸镍和16.1608 g (0.04 mol)的九水硝酸铁，继续搅拌30 min后，加入19.2192 g (0.32 mol)的尿素，尿素与六水硝酸镍、九水硝酸铁的摩尔比为32：1：2；继续超声搅拌60 min后；将溶液转移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，然后将反应釜放入180 ℃烘箱中保温24 h。反应釜冷却至室温后，将产物抽滤、用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h，得到前驱体，将前驱体研磨均匀后于400 ℃氩气管式炉中下热处理3 h即可制得NiFe2O4材料。
电化学性能测试表明，在50 mA/g的电流密度下，第三次放电容量为561 mAh/g，循环10次后的放电容量为230 mAh/g，容量保持率为40 %。
表1 锂离子电池负极活性材料电化学性能对照表
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，采用氧化石墨烯、镍源、铁源和沉淀剂尿素在水热环境下一步原位还原制得NiFe2O4/纳米复合材料，其步骤为：
（1）将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声搅拌使其完全溶解；将镍源和铁源按照镍铁摩尔比为1︰2溶解在去离子水中，搅拌均匀；然后将适量的尿素加入到上述溶液；
（2）将步骤（1）所配溶液混合均匀，超声搅拌后，将溶液转移至高压反应釜中进行水热反应；反应完全后，将反应釜冷却至室温，抽滤产物、洗涤、干燥，得到粉末状的前躯体；将前躯体置于气氛管式炉中热处理后即可制得NiFe2O4/石墨烯复合的锂离子电池负极活性材料；
所述尿素与镍源和铁源的摩尔比为（8~32）︰1︰2；所述水热反应条件是：保温温度为160~200 ℃，保温时间为6~24 h；所述氧化石墨烯的浓度为2~8 mg/ml，所述气氛环境中热处理条件是：升温速率为1 ℃/min~10 ℃/min，热处理温度为400~600 ℃，热处理时间3小时。
2.根据权利要求1所述的用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述镍源为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、醋酸镍中的至少一种；铁源为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述气氛管式炉保护气体为氩气、氮气、氩气+氢气、氮气+氢气中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中洗涤、干燥方法为：用去离子和无水乙醇洗涤，置于85 ℃下干燥8 h。
5.根据权利要求1~4任一项所述的用于锂电池负极的NiFe2O4/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯的制备方法为：按照每3 g鳞片石墨施加360 ml浓硫酸、40ml浓磷酸和18 g高锰酸钾的比例将反应物混合，反应体系温度控制在35~40 ℃，搅拌1~3h，然后将反应体系缓慢升温至50 ℃，持续搅拌12 h进行鳞片石墨的氧化剥离，将鳞片石墨氧化剥离液缓慢倒入400 ml去离子水中，继续搅拌，溶液冷却至室温后，加入适量的双氧水还原残留的氧化剂，溶液变为亮黄色，离心分离亮黄色溶液，以去离子水、稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，直至洗至中性后得到氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料置于60 ℃下真空干燥，得到薄纸状氧化石墨烯。
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