CN106328930A - 高容量锂离子电池负极材料α‑Fe2O3的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高容量锂离子电池负极材料α‑Fe2O3的制备方法，其步骤如下：（1）将FeCl3溶液和乙二醇在室温下搅拌，均匀混合，得到溶液A；（2）将NaOH溶液及去离子水加入溶液A中，搅拌，得到溶液B；（3）在溶液B中加入十二烷基苯磺酸钠，得到溶液C；（4）将溶液C转入高压釜中，在200‑250 ℃、5‑6 Mpa的条件下反应20‑30 h，将所得产物FeOOH离心分离、真空干燥，热处理，得到高容量锂离子电池负极材料α‑Fe2O3。本发明制备的α‑Fe2O3，被用作锂离子电池负极材料时，实验得到它的首次充放电比容量可以达到956.6mAh/g。

Description

高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法
技术领域
本发明属于新能源材料制备技术领域，设计锂离子电池的高容量负极材料纳米级的α-Fe2O3的制备方法。
背景技术
锂离子电池因其具有比能量高，高比功率和高性能等优点，已经收到人们的普遍欢迎，被广泛应用于移动设备，诸如笔记本电脑、手机和相机等等，并且已经在航空航天、人造卫星以及军用通讯设备方面驻步取代传统能源，高容量已经成为当前锂离子电池研究的最新方向。在智能手机领域，人们对手机的续航提出了越来越高的要求，对电池的容量要求更高，这就导致人们对于高容量电池的需求越来越迫切。相对于目前市场上的石墨材料，α-Fe2O3具有高容量的优点，并且原料易得，价格便宜。
目前用来制备α-Fe2O3的办法有均匀沉淀法、溶胶-凝胶相转移法和溶胶-凝胶蒸发干燥法，而我们的采用一种新方法来制备该类氧化铁，将二价铁或者三价铁源作为原料。这主要是因为三价铁源稳定并且价格低廉，有利于降低电极材料的价格，所以，采用三价铁源成为工业上合成氧化铁的原料是非常明智的。目前采用三价铁源来制备α-Fe2O3的办法也有很多。纳米氧化铁的制备方法总体上可分为湿法( Wet Method) 和干法( Dry Method)。湿法多以工业绿矾、工业氯化( 亚) 铁或硝酸铁为原料，采用氧化沉淀法、水热法、强迫水解法、胶体化学法等制备；干法常以羰基铁[ Fe(CO)5 ] 或二茂铁( FeCP2 ) 为原料，采用火焰热分解、气相沉积、低温等离子化学气相沉积法( PCVD) 或激光热分解法制备。然而，直接得到粒度极低的α-Fe2O3还有很多工作要做，为了制备高质量的超细氧化铁，人们总是企图首先从制备优异的 Fe(OH)2出发，从而产生了滴加法，氨沉淀法，液氨、空气混合沉淀氧化法，两步沉淀氧化法。指的是滴加法制备超细α-FeOOH的工艺过程研究-熊玉梅-期刊-1996-10-30氨法铁红晶种成因分析及氧化合成铁红的历程探讨-曾昭仪，-期刊-1990-12-27超细α-FeOOH制备过程研究Ⅰ.制备工艺-古宏晨-期刊-1992-08-28。
发明内容
本发明的目的是提供一种高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法。
本发明采用的技术方案是：一种高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法，其步骤如下：
（1）将100 mL 0.01 mol/L 的FeCl3溶液和10 mL乙二醇在室温下搅拌5 -10min，均匀混合，得到溶液A；
（2）将10 mL浓度为2 mol/L的NaOH溶液及20 ml去离子水加入溶液A中，搅拌10-15min，得到溶液B；
（3）在溶液B中加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠在溶液B中的浓度为0.06mol/ml，得到溶液C；
（4）将溶液C转入150 mL高压釜中，在200-250 ℃、5-6 Mpa的条件下反应20-30 h，将所得产物FeOOH离心分离、真空干燥，在600℃的条件下热处理1 h，得到高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3。
所述步骤（4）中的离心条件为8000 r/min，离心时间为5 min，真空干燥条件为负压在-0.08 Mpa以下，真空干燥时间为3-5 h。
本发明的有益效果是：本发明的α-Fe2O3的原料价格低廉，易得，并且能够在相同条件下，当作为锂离子电池负极材料能够拥有极高的容量，这样就比同等质量的其他材料要高很多的容量。表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的使用条件是在碱性环境下形成有机层，使胶体表面形成有机层而具有疏水性。表面活性剂不仅可以控制颗粒大小，使晶体排列有序，载体形成定向排列，从而防止纳米微粒的团聚，控制纳米微粒大小，还可以控制孔隙度，提高所制电极的电性能。本发明采用阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，在制备纳米α-Fe2O3过程中可以抑制析晶，制备的粒子不易聚结，延缓α-Fe2O3电极钝化，提高其电化学性能。本发明制备的α-Fe2O3，被用作锂离子电池负极材料时，实验得到它的首次充放电比容量可以达到956.6mAh/g（α-Fe2O3理论容量为1007 mAh/g），相对于市面上的碳类负极材料，理论容量为372mAh/g，该方法制备的材料的容量是市面在使用的碳材料的将两倍还要多。这对于目前对高容量电源需求的压力的缓解是非常有利的，对于锂离子电池的发展更是有很大的突破。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的α-Fe2O3的XRD图；
图2为本发明实施例1所制备的α-Fe2O3的SEM图；
图3为本发明实施例1所制备的α-Fe2O3的在0.2C下首次恒流充放电曲线图；
图4为本发明实施例1所制备的α-Fe2O3的在0.5C下恒流充放电循环性能图。
具体实施方式
实施例1
一种高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法，其步骤如下：
（1）将100 mL 0.01 mol/L 的FeCl3溶液和10 mL乙二醇在室温下搅拌5 min，均匀混合，得到溶液A；
（2）将10 mL浓度为2 mol/L的NaOH溶液及20 ml去离子水加入溶液A中，搅拌10 min，得到溶液B；
（3）在溶液B中加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠在溶液B中的浓度为0.06mol/ml，得到溶液C；
（4）将溶液C转入150 mL高压釜中，在200 ℃、5 Mpa的条件下反应20-30 h，将所得产物FeOOH离心分离、真空干燥，离心分离条件为8000 r/min，离心时间为5 min，真空干燥条件为负压在-0.08 Mpa以下，真空干燥时间为3 h，在600℃的条件下热处理1 h，得到高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3。
实施例2
一种高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法，其步骤如下：
（1）将100 mL 0.01 mol/L 的FeCl3溶液和10 mL乙二醇在室温下搅拌5 -10min，均匀混合，得到溶液A；
（2）将10 mL浓度为2 mol/L的NaOH溶液及20 ml去离子水加入溶液A中，搅拌15 min，得到溶液B；
（3）在溶液B中加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠在溶液B中的浓度为0.06mol/ml，得到溶液C；
（4）将溶液C转入150 mL高压釜中，在250 ℃、5-6 Mpa的条件下反应20-30 h，将所得产物FeOOH离心分离、真空干燥，离心分离条件为8000 r/min，离心时间为5 min，真空干燥条件为负压在-0.08 Mpa以下，真空干燥时间为5 h，在600℃的条件下热处理1 h，得到高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3。
图1为该法所制备的α-Fe2O3的XRD图，所有的特征峰和赤铁矿结构的α-Fe2O3（JCPDS NO.30-0644）的峰一一吻合，没有出现其他的杂质相，表明合成了高纯度的α-Fe2O3，材料的结晶度高。
图2为α-Fe2O3的SEM图，有图可以看出所制备的高纯度的α-Fe2O3为纳米棒结构，从（b）可以看出，所制备α-Fe2O3纳米棒状直径为50 nm左右。
图3为在0.2C下首次恒流充放电曲线图，从中可以清晰的看在首次放电曲线上出现两个明显的放电平台，第一个平台位于1.0V，第二个是在0.8V左右，这是铁氧化物的还原过程(Li与Fe2O3反应还原生成Fe和Li2O)。随充放电循环的进行，放电电压提高到更高的电位水平。
图4为作为锂离子负极材料制备成扣式电池，扣式锂离子电池的前150次充放电循环曲线，在前150次充放电中，容量较初始容量几乎没有衰减，容量保持率在95%以上。

Claims (2)

1.一种高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）将100 mL 0.01 mol/L 的FeCl3溶液和10 mL乙二醇在室温下搅拌5 -10min，均匀混合，得到溶液A；
（2）将10 mL浓度为2 mol/L的NaOH溶液及20 ml去离子水加入溶液A中，搅拌10-15min，得到溶液B；
（3）在溶液B中加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠在溶液B中的浓度为0.06mol/ml，得到溶液C；
（4）将溶液C转入150 mL高压釜中，在200-250 ℃、5-6 Mpa的条件下反应20-30 h，将所得产物FeOOH离心分离、真空干燥，在600℃的条件下热处理1 h，得到高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3。
2.根据权利要求1所述的高容量锂离子电池负极材料α-Fe2O3的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的离心条件为8000 r/min，离心分离时间为5 min，真空干燥条件为负压在-0.08 Mpa以下，真空干燥时间为3-5 h。
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