CN112614981A - 锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法 - Google Patents

锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法。本发明方法以六水合氯化铁和葡萄糖的水溶液为原料，先将原料直接低温空气气氛下烧结，所得材料再在高温氩气气氛下烧结，通过两步烧结制得了锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料。本发明方法十分简便、成本低、产率高、制备条件易于控制，适用于大规模生产，制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料作为锂离子电池负极材料具有出色的倍率性能和大电流密度下的循环性能。

Description

锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料的技术领域，具体涉及一种锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法。
背景技术
目前商业化锂离子电池负极材料主要采用碳基材料，由于其自身理论比容量低，仅为372 mAh g-1，使得其能量密度无法再进一步提高，且碳基材料过充电的耐受性差，循环性能有限。近年来，纳米铁氧化物因具有理论比容量高（800~1000 mAh g-1）、储量丰富、价格低廉、环境友好等优点而受到了研究者的广泛关注。铁氧化物中，纳米α-Fe2O3和Fe3O4作为锂离子电池负极材料被研究的最多。然而，纳米α-Fe2O3和Fe3O4负极材料本身导电性差，而且在锂离子嵌/脱过程中的体积变化大，高达约200％，这严重阻碍了其在锂离子电池中的应用和发展。因此，改善铁氧化物储锂性能的关键是提高其导电性和构建特殊形貌以降低其在反复嵌/脱锂过程中因体积变化而产生的内应力。为此，本发明开发了一种制备具有特殊二维片状结构的Fe3O4/C复合电极材料的新方法，通过碳复合提高Fe3O4的导电性，通过构建特殊的二维片状形貌改善其储锂反应动力学和缓冲其体积效应，从而使该材料具有出色的倍率性能和循环稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法。
具体步骤为：
(1)将质量比为20:17的六水合氯化铁和葡萄糖混合均匀，然后向其中加入去离子水在超声波辅助下使六水合氯化铁和葡萄糖混合物全部溶解为均一的溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至马弗炉中，在空气气氛下以5 ℃/分钟的升温速度从室温加热至350 ℃，并在350 ℃下保温2小时，随炉冷却后制得前驱体。
(3)将步骤(2)所得的前驱体转移至管式气氛炉中，在氩气气氛下以5 ℃/分钟的升温速度从室温加热至800 ℃，并在800 ℃下保温2小时，随炉冷却后取出，即得到锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料。
本发明方法十分简便、成本低、产率高、制备条件易于控制，适用于大规模生产，制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料具有出色的倍率性能和大电流密度下的循环性能。
附图说明
图1为实施例1制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的XRD图谱。
图2为实施例1步骤(2)所得的前驱体的热重曲线。
图3为实施例1制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的FESEM图。
图4为实施例1制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的倍率性能图。
图5为实施例1制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料在大电流密度下的循环性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是以下实施例是为了本领域的技术人员更好地理解本发明，而不是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1：
(1)将4 g六水合氯化铁和3.4 g葡萄糖混合均匀，然后向其中缓慢加入10 mL去离子水在超声波辅助下使六水合氯化铁和葡萄糖混合物全部溶解为均一的溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至马弗炉中，在空气气氛下从室温加热至350 ℃（升温速度为5 ℃/分钟），并在350 ℃下保温2小时，随炉冷却后得到前驱体。
(3)将步骤(2)所得的前驱体转移至管式气氛炉中，在氩气气氛下从室温加热至800 ℃（升温速度为5 ℃/分钟），并在800 ℃下保温2小时，随炉冷却后取出，即得到锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料。
电化学性能测试：将实施例1中制备的锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料作为活性材料，导电炭黑（Super P）作为导电剂，聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂按质量比7:2:1的比例混合研磨均匀后，加入适量的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）调匀成浆后用涂布器均匀涂覆在提前擦拭好的铜箔上，在真空干燥箱中80 ℃下真空干燥12小时，冲裁后得到直径为15 mm的电极片。以冲裁后的电极片为工作电极，金属锂片为对电极，聚丙烯多孔膜（Celgard 2400）为隔膜，1 mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合液（体积比，其中v(EC):v(DMC):v(DEC)=1:1:1）为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成CR2016型扣式电池。采用CT-4008型新威电池测试系统对扣式电池进行恒电流充放电测试，倍率性能测试的电流密度分别为0.5 A/g、1 A/g、3 A/g、5 A/g和7 A/g，循环性能测试的电流密度为3 A/g，电位窗口为0.01~3 V。实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料的倍率性能测试结果列于表1中。实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料在大电流密度3 A/g下的循环性能测试结果列于表2中。
表1： 实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料的倍率性能测试结果
电流密度/ A/g 0.5 A/g 1 A/g 3 A/g 5 A/g 7 A/g
放电比容量/ mAh g<sup>-1</sup> 724 591 455 386 379
表2： 实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料在大电流密度3 A/g下的循环性能测试结果
循环圈数 1圈 2圈 200圈 400圈 600圈 800圈 1000圈
放电比容量/ mAh g<sup>-1</sup> 1473 740 523 640 630 553 503
库仑效率/% 52.5 92.8 99.3 99.3 99.2 98.7 99.0
如表1和表2所示，实施例1制备的电极材料具有出色的倍率性能和大电流密度下的循环稳定性。
如图1和图2所示，分别为实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料的XRD图谱和实施例1步骤(2)所得的样品前驱体的热重曲线。综合图1和图2可知，本发明制备的电极材料为Fe3O4/C复合电极材料，且含碳量约为13%。
如图3所示，为实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料的FESEM图。从图中可以看出，本发明制备的Fe3O4/C复合电极材料具有特殊的二维片状纳米结构，纳米级的Fe3O4颗粒均匀地镶嵌在二维C 片中。
如图4所示，为实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料的倍率性能图。从图中可以看出，本发明制备的Fe3O4/C复合电极材料在不同电流密度下均具有较大的放电比容量，说明该锂离子电池负极材料具有出色的倍率性能。
如图5所示，为实施例1制备的Fe3O4/C复合电极材料在大电流密度下的循环性能图。从图中可以看出，本发明制备的Fe3O4/C复合电极材料在3 A/g电流密度下循环1000圈仍具有高达503 mAh g-1的放电比容量，说明该锂离子电池负极材料具有非常好的大电流密度下的循环性能。

Claims (1)

1.一种锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将质量比为20:17的六水合氯化铁和葡萄糖混合均匀，然后向其中加入去离子水在超声波辅助下使六水合氯化铁和葡萄糖混合物全部溶解为均一的溶液；
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至马弗炉中，在空气气氛下以5 ℃/分钟的升温速度从室温加热至350 ℃，并在350 ℃下保温2小时，随炉冷却后制得前驱体；
(3)将步骤(2)所得的前驱体转移至管式气氛炉中，在氩气气氛下以5 ℃/分钟的升温速度从室温加热至800 ℃，并在800 ℃下保温2小时，随炉冷却后取出，即得到锂离子电池用二维片状Fe3O4/C复合电极材料。
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