CN113793931A - 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113793931A
CN113793931A CN202111366544.6A CN202111366544A CN113793931A CN 113793931 A CN113793931 A CN 113793931A CN 202111366544 A CN202111366544 A CN 202111366544A CN 113793931 A CN113793931 A CN 113793931A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lithium ion
ion battery
aminated carbon
iron oxide
titanium dioxide
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.)
Granted
Application number
CN202111366544.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113793931B (zh
Inventor
杨书廷
贾伟晓
张芬丽
郑延辉
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.)
Battery Research Institute Of Henan Co ltd
Original Assignee
Battery Research Institute Of Henan Co ltd
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 Battery Research Institute Of Henan Co ltd filed Critical Battery Research Institute Of Henan Co ltd
Priority to CN202111366544.6A priority Critical patent/CN113793931B/zh
Publication of CN113793931A publication Critical patent/CN113793931A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113793931B publication Critical patent/CN113793931B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • H01M4/366Composites as layered products
    • 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
    • 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
    • H01M4/523Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron for non-aqueous cells
    • 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
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • 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
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • 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
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用氧化铁负极材料,包括二氧化钛纳米颗粒、三氧化二铁和氨基化碳纳米管,其中三氧化二铁包覆在吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管表面,所述锂离子电池用氧化铁负极材料为球形或类球形。本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料中氨基化碳纳米管搭建的支撑网络骨架成为三氧化二铁的导电通道;二氧化钛纳米颗粒的支撑为三氧化二铁提供了胀缩空间,保持了充放电过程中氨基化碳纳米管网络骨架结构稳定,使三氧化二铁可以保持与氨基化碳纳米管位置的相对稳定、接触良好,从而可以保持在多次循环后负极仍具有良好的导电性,使锂离子电池容量高,循环性能好。

Description

一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域,尤其涉及一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法。
背景技术
近年来随着3C数码产品、储能、通信及新能源汽车领域的迅速发展,人们对锂离子电池性能的要求越来越严苛。石墨负极材料和硅负极材料因为自身的缺陷使其使用范围受到一定限制,因此,有必要提供一种新型的高容量高循环的负极材料,以推动锂离子电池负极材料的发展。
氧化铁(Fe2O3)作为一类过渡金属氧化物表现出高容量的特征,理论上是可以作高容量的负极。但由于其导电性差,且在充放电过程中体积改变较大,这容易导致氧化铁与导电性碳材料的分离,从而致使电池在经过多次充放电循环后,由于负极的导电性变差而导致锂离子电池循环性能差。
发明内容
本发明的目的为:提供一种高容量、长循环寿命的锂离子电池用氧化铁负极材料。
本发明的技术方案为:
一种锂离子电池用氧化铁负极材料,所述锂离子电池用氧化铁负极材料包括二氧化钛纳米颗粒、三氧化二铁和氨基化碳纳米管,其中三氧化二铁包覆在吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管表面,所述锂离子电池用氧化铁负极材料为球形或类球形。
本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料为球形或类球形,这是由表面包覆了三氧化二铁的、吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管团聚成的球形或类球形,其中的氨基化碳纳米管搭建成多个球形的网络状骨架,这些氨基化碳纳米管的网络状骨架在电池充放电过程中的作为导电性网络为三氧化二铁提供导电通道,提高了负极材料的整体导电性;吸附在氨基化碳纳米管上的二氧化钛纳米颗粒支撑在氧化铁与氨基化碳纳米管之间、以及氨基化碳纳米管相互之间,为氧化铁的膨胀提供了体积胀缩的空间;同时这些胀缩空间还受到相互缠绕成球形或类球形结构制约而不会过度变形。当锂离子电池在充放电过程中出现氧化铁的收缩与膨胀时,支撑的二氧化钛纳米颗粒和由氨基化碳纳米管缠绕成球形或类球形结构制约并保持了氨基化碳纳米管网络骨架的结构稳定,使氨基化碳纳米管网络骨架不会出现坍塌或过度形变,这使得三氧化二铁可以保持与氨基化碳纳米管位置的相对稳定、良好接触,而不出现氧化铁与氨基化碳纳米管的脱离或有间隙,从而可以保持在多次循环后负极仍具有良好的导电性,由此可以使锂离子电池经多次充放电循环后仍保持较高的容量,具有较好的循环性能。
本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料为球形或类球形,在制作电极时,球形或类球形结构使制成的浆料具有很好的流动性,便于负极材料在集流体上涂覆均匀。
优选地,所述氨基化碳纳米管为氨基化单壁碳纳米管。氨基化单壁碳纳米管的导电性更好,所制备的负极材料性能更加稳定,一致性好。当然,本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料中的氨基化碳纳米管也可以是氨基化多壁碳纳米管。
优选地,所述二氧化钛纳米颗粒的质量为铁元素质量的0.72%-2.18%,所述二氧化钛纳米颗粒的粒径为10-20nm;所述氨基化碳纳米管的管径为2-5nm,长度为2-8μm;所述氨基化碳纳米管的质量为二氧化钛纳米颗粒质量的20%。本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料,含有铁元素质量的0.72%-2.18%、粒径为10-20nm的二氧化钛纳米颗粒,二氧化钛纳米颗粒吸附在管径为2-5nm、长度为2-8μm氨基化碳纳米管表面,由此形成的吸附有二氧化钛颗粒的氨基化碳纳米管的类球形或球形网络骨架,为三氧化二铁提供了良好的填充和容纳空间;三氧化二铁填充在氨基化碳纳米管的管径内、外,和氨基化碳纳米管良好接触,提高了负极材料的导电性能;在三氧化二铁出现体积胀缩时,在粒径为10-20nm的二氧化钛纳米颗粒的支撑下,整个氨基化碳纳米管的类球形或球形网络骨架仍可保持良好的结构稳定不变形,不会在氨基化碳纳米管和三氧化二铁之间出现不接触的空隙而使负极的导电性变差。
本发明还提供了上述锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一,将二氧化钛纳米粉末加入到氨基化碳纳米管溶液中,搅拌均匀,然后在用超声波分散的同时加入氨水调溶液pH值为9-10,充分分散后,得到吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液;
步骤二,在搅拌下,将所得吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液加入到含铁离子的溶液中,然后向溶液中匀速泵入氨水,至溶液的pH值为8-9,得到胶质前驱体;含铁离子的溶液可以使用硝酸铁、硫酸铁、氯化铁或其水合物等可溶性三价铁盐的溶液。
步骤三,将得到的胶质前驱体喷雾干燥;
步骤四,喷雾干燥后的粉末在氮气或氩气气氛中焙烧,即得锂离子电池用氧化铁负极材料。
本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,步骤一中在二氧化钛纳米粉末加到氨基化碳纳米管溶液,然后加氨水将溶液pH值调为9-10后,溶液为碱性。在碱性环境中,纳米二氧化钛表面带有负电荷,而氨基化碳纳米管表面带有正电荷,在超声波的分散作用下,纳米二氧化钛以颗粒状态在溶液中分散均匀,并吸附在氨基化碳纳米管表面且结合为一体,形成了吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液。在步骤二中,当氨水泵入含有铁离子的混合溶液中时,铁离子与氢氧根结合成为氢氧化铁胶体;当溶液的pH值为8-9时,铁离子即完全反应为胶体。由于含铁离子的溶液与吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液的充分混合,铁离子与吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管充分接触,铁离子分布在氨基化碳纳米管的外周并进入氨基化碳纳米管的管内,因此,形成的氢氧化铁胶体也分布在氨基化碳纳米管管内及吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管之间。这使得喷雾干燥成球后的粉末在焙烧后,三氧化二铁分布在吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管的管内及管外,三氧化二铁与氨基化碳纳米管充分接触,并由吸附有二氧化钛颗粒的氨基化碳纳米管的类球形或球形网络骨架所支撑,为由此锂离子电池用氧化铁负极材料制成的锂离子电池在充放电过程中提供了具有良好导电性且有结构稳定性的负极材料。
优选地,步骤二中含铁离子的溶液中,铁离子的浓度为0.5-1mol/L。
优选地,步骤一中所述氨基化碳纳米管溶液中的氨基化碳纳米管的质量含量为0.4%,所述氨基化碳纳米管为单壁碳纳米管,步骤一中所述二氧化钛纳米粉末的粒径为10-20nm。质量含量为0.4%的氨基化碳纳米管可以形成最佳的支撑和导电网络,粒径为10-20nm二氧化钛纳米粉末可以在氨基化碳纳米管的之间形成有效的支撑高度,有效防止三维氨基化碳纳米管网络骨架的变形,为三氧化二铁在充放电过程中胀缩提供有效的空间。
优选地,步骤二中所述氨水的浓度为5-10mol/L,所述氨水泵入的速度为0.5-2mL/min。0.5-2.0mL/min的氨水泵入速度和5-10mol/L的氨水浓度使铁离子以稳定的速度形成胶体,这有利于将氨基化碳纳米管管内的铁离子也充分胶体化,使所制成的负极材料容量高、性能均一。
优选地,步骤三中所述喷雾干燥的条件为:进料速度2.5-5ml/min,进风温度160-180℃,出风口温度≤90℃。在此条件下喷雾形成的颗粒球形度更好。
优选地,步骤四中的焙烧升温速率为1-5℃/min,焙烧温度为450-550℃,焙烧保温时间为2-4h。
本发明的有益效果为:
本发明的锂离子电池用氧化铁负极材料为由表面包覆了三氧化二铁的、吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管团聚成的球形或类球形,氨基化碳纳米管搭建的多个支撑网络骨架成为三氧化二铁的导电通道,提高了负极材料的整体导电性;吸附在氨基化碳纳米管上的二氧化钛纳米颗粒的支撑为三氧化二铁提供了胀缩空间,同时这些胀缩空间还受到相互缠绕成球形或类球形结构制约而不会过度变形,保持了在充放电过程中氨基化碳纳米管网络骨架的结构稳定,使三氧化二铁可以保持与氨基化碳纳米管位置的相对稳定、接触良好,不出现氧化铁与氨基化碳纳米管的脱离或有间隙,从而可以保持在多次循环后负极仍具有良好的导电性,由此可以使锂离子电池经多次循环后仍保持较高的容量,具有较好的循环性能。
附图说明
图1为实施例1所制备的锂离子电池用氧化铁负极材料的扫描电镜图。
图2为图1的放大图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细说明。
实施例1
制备一种锂离子电池用氧化铁负极材料。
步骤一,将0.078g二氧化钛纳米粉末加入到3.910g的氨基化单壁碳纳米管溶液中。其中,二氧化钛的粒径为10-20nm,氨基化单壁碳纳米管溶液中碳纳米管的质量含量为0.4%,氨基化碳纳米管的管径为2-5nm,长度为2-8μm。搅拌均匀,然后在用超声波分散的同时加入氨水调溶液pH值为9.0,充分分散后,得到吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液;
步骤二,在搅拌下,将所得吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液加入到200ml 0.5mol/L的三氯化铁的溶液中,然后用蠕动泵以0.8ml/min速率向溶液中匀速泵入5mol/L的氨水,至溶液的pH值为8.5;继续搅拌1小时,水洗3-5次,抽滤,超声分散2小时,得到胶质前驱体。将抽滤得到的固体进行超声分散,有利于使所得到固体在喷雾前更加分散均匀,有利于喷雾成球。
步骤三,将得到的胶质前驱体喷雾干燥;
喷雾干燥的条件为:引风机设定为20MPa,进料速度2.5ml/min,进风温度170℃,出风口温度80℃。
步骤四,喷雾干燥后的粉末在氮气气氛中以1.5℃/min的速度升温至500℃,并在500℃焙烧2h。所得物料冷却至室温后,过250目筛,即得锂离子电池用氧化铁负极材料。
图1为本实施例所制备的锂离子电池用氧化铁负极材料的扫描电镜图,图2为图1的放大图。从图1可以看出,本实施例所制备的锂离子电池用氧化铁负极材料为类球形;从图2可以看到锂离子电池用氧化铁负极材料中的包覆了三氧化二铁的氨基化碳纳米管和二氧化钛纳米颗粒。
实施例2
制备一种锂离子电池用氧化铁负极材料。
步骤一,将0.040g二氧化钛纳米粉末加入到2.011g的氨基化单壁碳纳米管溶液中。其中,二氧化钛的粒径为10-20nm,氨基化单壁碳纳米管溶液中碳纳米管的质量含量为0.4%,氨基化碳纳米管的管径为2-5nm,长度为2-8μm。搅拌均匀,然后在用超声波分散的同时加入氨水调溶液pH值为10.0,充分分散后,得到吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液;
步骤二,在搅拌下,将所得吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液加入到100ml 1.0mol/L的硝酸铁的溶液中,然后用蠕动泵以0.5ml/min速率向溶液中匀速泵入10mol/L的L氨水,至溶液的pH值在9.0;继续搅拌1小时,水洗3-5次,抽滤,超声分散2小时,得到胶质前驱体;
步骤三,将得到的胶质前驱体喷雾干燥;
喷雾干燥的条件为:引风机设定为20MPa,进料速度5.0ml/min,进风温度160℃,出风口温度90℃。
步骤四,喷雾干燥后的粉末在氮气气氛中以1℃/min的速度升温至450℃,并在450℃焙烧2h。所得物料冷却至室温后,过250目筛,即得锂离子电池用氧化铁负极材料。
实施例3
制备一种锂离子电池用氧化铁负极材料。
步骤一,将0.122g二氧化钛纳米粉末加入到6.088g的氨基化单壁碳纳米管溶液中。其中,二氧化钛的粒径为10-20nm,氨基化单壁碳纳米管溶液中碳纳米管的质量含量为0.4%,氨基化碳纳米管的管径为2-5nm,长度为2-8μm。搅拌均匀,然后在用超声波分散的同时加入氨水调溶液pH值为10.0,充分分散后,得到吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液;
步骤二,在搅拌下,将所得吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液加入到100ml 1.0mol/L的硝酸铁的溶液中,然后用蠕动泵以2.0ml/min速率向溶液中匀速泵入8mol/L的L氨水,至溶液的pH值为8.0;继续搅拌1小时,水洗3-5次,抽滤,超声分散2小时,得到胶质前驱体;
步骤三,将得到的胶质前驱体喷雾干燥;
喷雾干燥的条件为:引风机设定为20MPa,进料速度5.0ml/min,进风温度180℃,出风口温度85℃。
步骤四,喷雾干燥后的粉末在氩气气氛中以5℃/min的速度升温至550℃,并在550℃焙烧4h。所得物料冷却至室温后,过250目筛,即得锂离子电池用氧化铁负极材料。
对比例1:
制备一种氧化铁负极材料,步骤如下:
步骤一,搅拌下,用蠕动泵以0.8ml/min速率匀速向200ml 0.5mol/L的三氯化铁溶液中泵入5mol/L的L氨水,至溶液的pH值为8.5;继续搅拌1小时,水洗3-5次,抽滤,超声分散2小时,得到胶体;
步骤二,将得到的胶体喷雾干燥;
喷雾干燥的条件为:引风机设定为20MPa,进料速度2.5ml/min,进风温度170℃,出风口温度80℃。
步骤三 ,喷雾干燥后的粉末在氩气气氛中以1.5℃/min的速度升温至500℃,并在500℃焙烧2h。所得物料冷却至室温后,过250目筛,得氧化铁负极材料。
对比例2
制备一种氧化铁负极材料,步骤如下:
步骤一,搅拌下,将0.078g二氧化钛纳米粉末加入200ml 浓度为0.5mol/L的三氯化铁溶液中,用蠕动泵以0.8ml/min速率匀速泵入5mol/L的L氨水,至溶液的pH值为8.5;继续搅拌1小时,水洗3-5次,抽滤,超声分散2小时,得到胶体;
步骤二,将得到的胶体喷雾干燥;
喷雾干燥的条件为:引风机设定为20MPa,进料速度2.5ml/min,进风温度170℃,出风口温度80℃。
步骤三 ,喷雾干燥后的粉末在氩气气氛中以1.5℃/min的速度升温至500℃,并在500℃焙烧2h。所得物料冷却至室温后,过250目筛,得氧化铁负极材料。
性能测试:
将实施例1-3、对比例1、2所制得的负极材料分别按下列方法进行性能测试。
1、电池制作:
将负极材料与超导碳、聚丙烯酸按照质量比8:1:1的比例称取并混合均匀,其中聚丙烯酸以质量含量10%的溶液形式进行混合。将混合物搅拌至具有流动性浆料后,将其涂覆于铜箔上,干燥、裁片得到极片,将极片放入手套箱中,以金属锂片为对电极,采用聚丙烯隔膜,1mol/L的LiPF6/EC+DEC+EMC溶液为电解液,其中EC为碳酸乙烯酯,DEC为碳酸二乙酯,EMC为碳酸甲乙酯,三者的体积比为1:1:1,在充满干燥氩气的手套箱中组装成CR2032型扣式电池。
2、电池性能测试
在25±2℃下进行电池性能测试,步骤如下:
(1)0.1C放电至0.005V;(2)静置1min;(3)0.05C放电至0.005V;(4)静置1min;(5)0.02C放电至0.005V;(6)静置1min;(7)0.1C充电至3.0V;(8)静置1min。按以上步骤循环50次。各实施例及对比例的负极材料所制备的电池测试结果见表1。
表1
实 例 首次充电比容量(mAh/g) 首次充放电效率(%) 循环50周后容量 保持率(%)
实施例1 951.3 82.21 68.06
实施例2 926.5 79.87 70.65
实施例3 943.4 80.16 64.51
对比例1 765.2 73.61 48.72
对比例2 790.3 74.32 49.35
由表1可以看出,本发明实施例1、2、3所制得的锂离子电池用氧化铁负极材料制备的锂离子电池具备较高的首次充电比容量、较高的首次充放电效率和良好的循环性能;而对比例1、对比例2所制备的氧化铁负极材料的首次充电比容量、首次充放电效率和循环性能都较差。这是由于本发明所制备的氧化铁负极材料中包含有二氧化钛纳米颗粒和氨基化碳纳米管。在球形或类球形结构中,三氧化二铁包覆在吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管表面,表面包覆了三氧化二铁的、吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管团聚成球形或类球形。由氨基化碳纳米管搭建成的球形的网络状骨架在电池充放电过程中的作为导电性网络为三氧化二铁提供导电通道,提高了负极材料的导电性;吸附在氨基化碳纳米管上的二氧化钛纳米颗粒支撑在氧化铁与氨基化碳纳米管之间、以及氨基化碳纳米管相互之间,为氧化铁的膨胀提供了体积胀缩的空间,同时这些胀缩空间还受到相互缠绕成球形或类球形结构制约而不会过度变形。当锂离子电池在充放电过程中出现氧化铁的收缩与膨胀时,支撑的二氧化钛纳米颗粒和由氨基化碳纳米管缠绕成球形或类球形结构制约并保持了氨基化碳纳米管网络骨架的结构稳定,使氨基化碳纳米管网络骨架不会出现坍塌或过度形变,这使得三氧化二铁可以保持与氨基化碳纳米管位置的相对稳定、保持接触良好,而不出现氧化铁与氨基化碳纳米管的脱离或有间隙;另外,也使三氧化二铁与电池制作时添加的作为导电剂的超导碳也可以保持良好的接触而不相互脱离,从而可以保持在多次循环后负极仍具有良好的导电性;由此可以使锂离子电池经多次循环后仍保持较高的容量,具有较好的循环性能。
而对比例1中的三氧化二铁没有可以支撑结构的氨基化碳纳米管骨架和为氧化铁的膨胀提供胀缩空间二氧化钛颗粒,在电池的充放电过程中,三氧化二铁的体积反复进行膨胀和收缩,使得三氧化二铁和电极中的导电剂之间不断进行挤压、脱离的循环过程,使得电极的结构逐渐出现松散和结构坍塌等变形,甚至导致三氧化二铁与导电剂之间出现不接触的有间隙的断路状态,致使整个电极导电性变差,三氧化二铁的容量越来越不能得到利用,电池的循环保持率随着循环次数的增加越来越差。对比例2中虽然使用了三氧化二钛,但由于没一作为骨架的氨基化碳纳米管,形不成氧化铁用于胀缩的空间,其循环50周后的容量保持率也很差。
另外,对比例1、对比例2中所制备的电池的首次充比容量和首次充放电效率比较低,首次充电比容量仅为765.2mAh/g, 首次充放电效率仅为73.61%;而本发明的方法制备的锂离子电池用氧化铁负极材料制得的电池首次充电比容量可高达926mAh/g以上, 首次充放电效率高达79%以上。这是由于未使用本发明方法的对比例1、对比例2所制得的氧化铁负极材料中没有导电性的网络通道,在电池的充放电过程中三氧化二铁的导电性差,因此三氧化二铁本身的容量得不到很好的发挥,导致其首次充电比容量较低,首次充放电效率也比较低。而本发明的方法所制得的锂离子电池用氧化铁负极材料具有三维的球形或类球形的由氨基化碳纳米管团聚成的导电性的网络通道,在电池的充放电过程中提升了三氧化二铁之间的导电性,使三氧化二铁的容量得到了较好的发挥。
在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。比如,对于三价铁离子的溶液,还可以使用磷酸铁等可溶性的铁盐。对于氨基化碳纳米管溶液,使用其他浓度也可以达到同样的效果。此外,以上所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。另外以上仅为本发明的部分实施例,而不是全部实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种锂离子电池用氧化铁负极材料,其特征在于,所述锂离子电池用氧化铁负极材料包括二氧化钛纳米颗粒、三氧化二铁和氨基化碳纳米管,其中三氧化二铁包覆在吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管表面,所述锂离子电池用氧化铁负极材料为球形或类球形。
2.如权利要求1所述的锂离子电池用氧化铁负极材料,其特征在于,所述氨基化碳纳米管为氨基化单壁碳纳米管。
3.如权利要求2所述的锂离子电池用氧化铁负极材料,其特征在于,所述二氧化钛纳米颗粒的质量为铁元素质量的0.72%-2.18%,所述二氧化钛纳米颗粒的粒径为10-20nm;所述氨基化碳纳米管的管径为2-5nm,长度为2-8μm;所述氨基化碳纳米管的质量为所述二氧化钛纳米颗粒质量的20%。
4.如权利要求1-3之一所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,将二氧化钛纳米粉末加入到氨基化碳纳米管溶液中,搅拌均匀,然后在用超声波分散的同时加入氨水调溶液pH值为9-10,充分分散后,得到吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液;
步骤二,在搅拌下,将所得吸附有二氧化钛纳米颗粒的氨基化碳纳米管溶液加入到含铁离子的溶液中,然后向溶液中匀速泵入氨水,至溶液的pH为8-9;得到胶质前驱体;
步骤三,将得到的胶质前驱体喷雾干燥;
步骤四,喷雾干燥后的粉末在氮气或氩气气氛中焙烧,即得锂离子电池用氧化铁负极材料。
5.如权利要求4所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,在步骤二中含铁离子的溶液中,铁离子的浓度为0.5-1mol/L。
6.如权利要求4所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,步骤一中所述氨基化碳纳米管溶液中的氨基化碳纳米管的质量含量为0.4%,所述氨基化碳纳米管为单壁碳纳米管;步骤一中所述二氧化钛纳米粉末的粒径为10-20nm。
7.如权利要求4所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,步骤二中所述氨水的浓度为5-10mol/L,所述氨水泵入的速度为0.5-2.0mL/min。
8.如权利要求4所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,步骤三中所述喷雾干燥的条件为:进料速度2.5-5ml/min,进风温度160-180℃,出风口温度≤90℃。
9.如权利要求4所述的锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法,其特征在于,步骤四中的焙烧升温速率为1-5℃/min,焙烧温度为450-550℃,焙烧保温时间为2-4h。
CN202111366544.6A 2021-11-18 2021-11-18 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法 Active CN113793931B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111366544.6A CN113793931B (zh) 2021-11-18 2021-11-18 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111366544.6A CN113793931B (zh) 2021-11-18 2021-11-18 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113793931A true CN113793931A (zh) 2021-12-14
CN113793931B CN113793931B (zh) 2022-02-08

Family

ID=78955337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111366544.6A Active CN113793931B (zh) 2021-11-18 2021-11-18 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113793931B (zh)

Citations (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101615672A (zh) * 2009-03-03 2009-12-30 清华大学 一种制备核壳结构锂离子电池合金复合负极材料的方法
CN102040189A (zh) * 2009-10-15 2011-05-04 中国科学院福建物质结构研究所 一种可控的超细金属氧化物/碳纳米管复合材料的绿色合成方法
CN102593436A (zh) * 2012-02-27 2012-07-18 清华大学 一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料
CN103545493A (zh) * 2013-11-01 2014-01-29 中南大学 一种硅/碳多元复合负极材料的制备方法
CN104766953A (zh) * 2015-03-31 2015-07-08 浙江大学 二氧化钛/氧化铁复合负极材料的制备方法
CN105070889A (zh) * 2015-07-17 2015-11-18 江苏华盛精化工有限责任公司 一种负载二氧化钛纳米薄膜和四氧化三铁纳米颗粒的碳纤维材料的制备方法、产品及应用
EP3086388A1 (en) * 2015-04-24 2016-10-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Complex for anode active material, anode including the complex, lithium secondary battery including the anode, and method of preparing the complex
CN107994225A (zh) * 2017-12-11 2018-05-04 徐军红 一种多孔硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池
CN108183213A (zh) * 2017-12-27 2018-06-19 肇庆市华师大光电产业研究院 一种三氧化二铁/碳/碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法
CN108281636A (zh) * 2018-01-27 2018-07-13 景德镇陶瓷大学 一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用
CN108288706A (zh) * 2018-02-06 2018-07-17 深圳市普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用核壳结构复合负极材料及其制备方法
US20180241032A1 (en) * 2017-02-20 2018-08-23 Nanotek Instruments, Inc. Lithium Secondary Batteries Containing Protected Particles of Anode Active Materials and Method of Manufacturing
CN108735969A (zh) * 2017-04-24 2018-11-02 清华大学 锂离子电池负极及柔性锂离子电池
CN108807905A (zh) * 2018-06-12 2018-11-13 河南师范大学 一种可调空腔结构的氧化铁@氧化钛复合负极材料的制备方法
CN109449374A (zh) * 2018-10-22 2019-03-08 西安交通大学 一种以氮化物/碳纳米管作为隔层的锂硫电池正极、电池及制备方法
CN109671916A (zh) * 2017-10-13 2019-04-23 银隆新能源股份有限公司 介孔氧化铁复合碳纳米管的制备方法及用途
CN110137466A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 北京科技大学 锂离子电池硅碳-碳纳米管复合微球负极材料的制备方法
CN110336005A (zh) * 2019-06-30 2019-10-15 东莞理工学院 一种钛基氧化物锂离子电池负极材料及其性能测试方法
CN110492080A (zh) * 2019-08-27 2019-11-22 天津大学 用于锂离子电池负极的碳/三氧化二铁/多壁碳纳米管复合材料及制备方法
CN110838588A (zh) * 2019-11-18 2020-02-25 浙江理工大学 一种可充式锌空电池双功能催化剂及其制备方法与应用
CN110880589A (zh) * 2019-11-25 2020-03-13 浙江理工大学 一种纳米碳管@二氧化钛纳米晶@碳的复合材料及其制备方法和应用
CN111285408A (zh) * 2020-02-17 2020-06-16 安徽工业大学 一种制备锂离子动力电池氧化铁负极材料的方法
US20200227212A1 (en) * 2017-07-07 2020-07-16 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method for preparing an electrode comprising a substrate, aligned carbon nanotubes and a metal oxide deposited by reductive deposition, the electrode and uses thereof
CN112357956A (zh) * 2020-09-28 2021-02-12 浙江理工大学 碳/二氧化钛包覆氧化锡纳米颗粒/碳组装介孔球材料及其制备和应用

Patent Citations (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101615672A (zh) * 2009-03-03 2009-12-30 清华大学 一种制备核壳结构锂离子电池合金复合负极材料的方法
CN102040189A (zh) * 2009-10-15 2011-05-04 中国科学院福建物质结构研究所 一种可控的超细金属氧化物/碳纳米管复合材料的绿色合成方法
CN102593436A (zh) * 2012-02-27 2012-07-18 清华大学 一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料
CN103545493A (zh) * 2013-11-01 2014-01-29 中南大学 一种硅/碳多元复合负极材料的制备方法
CN104766953A (zh) * 2015-03-31 2015-07-08 浙江大学 二氧化钛/氧化铁复合负极材料的制备方法
EP3086388A1 (en) * 2015-04-24 2016-10-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Complex for anode active material, anode including the complex, lithium secondary battery including the anode, and method of preparing the complex
CN105070889A (zh) * 2015-07-17 2015-11-18 江苏华盛精化工有限责任公司 一种负载二氧化钛纳米薄膜和四氧化三铁纳米颗粒的碳纤维材料的制备方法、产品及应用
US20180241032A1 (en) * 2017-02-20 2018-08-23 Nanotek Instruments, Inc. Lithium Secondary Batteries Containing Protected Particles of Anode Active Materials and Method of Manufacturing
CN108735969A (zh) * 2017-04-24 2018-11-02 清华大学 锂离子电池负极及柔性锂离子电池
US20200227212A1 (en) * 2017-07-07 2020-07-16 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method for preparing an electrode comprising a substrate, aligned carbon nanotubes and a metal oxide deposited by reductive deposition, the electrode and uses thereof
CN109671916A (zh) * 2017-10-13 2019-04-23 银隆新能源股份有限公司 介孔氧化铁复合碳纳米管的制备方法及用途
CN107994225A (zh) * 2017-12-11 2018-05-04 徐军红 一种多孔硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池
CN108183213A (zh) * 2017-12-27 2018-06-19 肇庆市华师大光电产业研究院 一种三氧化二铁/碳/碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法
CN108281636A (zh) * 2018-01-27 2018-07-13 景德镇陶瓷大学 一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用
CN108288706A (zh) * 2018-02-06 2018-07-17 深圳市普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用核壳结构复合负极材料及其制备方法
CN108807905A (zh) * 2018-06-12 2018-11-13 河南师范大学 一种可调空腔结构的氧化铁@氧化钛复合负极材料的制备方法
CN109449374A (zh) * 2018-10-22 2019-03-08 西安交通大学 一种以氮化物/碳纳米管作为隔层的锂硫电池正极、电池及制备方法
CN110137466A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 北京科技大学 锂离子电池硅碳-碳纳米管复合微球负极材料的制备方法
CN110336005A (zh) * 2019-06-30 2019-10-15 东莞理工学院 一种钛基氧化物锂离子电池负极材料及其性能测试方法
CN110492080A (zh) * 2019-08-27 2019-11-22 天津大学 用于锂离子电池负极的碳/三氧化二铁/多壁碳纳米管复合材料及制备方法
CN110838588A (zh) * 2019-11-18 2020-02-25 浙江理工大学 一种可充式锌空电池双功能催化剂及其制备方法与应用
CN110880589A (zh) * 2019-11-25 2020-03-13 浙江理工大学 一种纳米碳管@二氧化钛纳米晶@碳的复合材料及其制备方法和应用
CN111285408A (zh) * 2020-02-17 2020-06-16 安徽工业大学 一种制备锂离子动力电池氧化铁负极材料的方法
CN112357956A (zh) * 2020-09-28 2021-02-12 浙江理工大学 碳/二氧化钛包覆氧化锡纳米颗粒/碳组装介孔球材料及其制备和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
赵珍: ""纳米Fe2O3/CNT的水热法制备及储锂性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113793931B (zh) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104882589B (zh) 碳包覆三元正极材料及其制备方法、锂离子电池
CN101210119B (zh) 一种含硅复合材料及其制备方法和用途
CN107611346B (zh) 锂离子电池柔性电极材料及其制备方法和锂离子电池
US20180309117A1 (en) Lithium-ion battery anodes and lithium-ion batteries using the same
CN105742599B (zh) 硅碳复合材料及其制备方法及负极材料及电池
CN106129394B (zh) 一种钛酸锂负极材料及钛酸锂电池
EP2891629B1 (en) Method of producing iron oxide nanoparticles
CN104393244B (zh) 锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法
CN109473659B (zh) 一种聚吡咯纳米管/Co3O4颗粒复合材料及制备方法
CN109616331B (zh) 一种核壳型的氢氧化镍纳米片/锰钴氧化物复合电极材料及其制备方法
CN111564612B (zh) 一种高导热导电性锂电正极材料及其制备方法
CN104577061B (zh) 电池、负极材料及其制备方法
CN112164796A (zh) 一种锂离子电池正极材料的预锂化添加剂及其制备方法和应用
CN106410153A (zh) 一种氮化钛包覆钛酸镍复合材料及其制备方法和应用
CN108493425A (zh) 一种介孔碳纳米管包覆的Sn4P3纳米颗粒钠离子电池负极材料的制备方法
CN103762348B (zh) 锂离子电池负极材料SnSbCu/MCMB/C核壳结构及其制备方法
US10529979B2 (en) Method for making lithium-ion battery anodes
CN109167022B (zh) 一种CoS空心壳包埋TiO2纳米颗粒的锂离子电池负极材料及其制备方法
CN104953105B (zh) 一种锂离子电池用SnOx/碳纳米管复合材料的制备方法
CN110931725B (zh) 一种硅碳复合材料及其制备方法和应用
CN103531809A (zh) 一种核壳结构颗粒与石墨烯复合材料的制备方法和应用
CN108630917A (zh) 一种Si@C@纤维状碳@C复合材料及其制备方法和应用
CN110707290B (zh) 一种具有类三明治结构柔性锂离子电池负极电极的制备方法
CN113793931B (zh) 一种锂离子电池用氧化铁负极材料及其制备方法
CN106935848A (zh) 一种提高三元复合材料循环性能的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant