一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，首先将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中，然后通过超声处理形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液A；然后将分析纯的可溶性铁盐和表面活性剂加入去离子水中，搅拌使铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B；然后将混合溶液B进行微波反应，得到产物C；最后将产物C与尿素或三聚氰胺混合研磨，然后密闭热解即得到氮掺杂的石墨烯包覆Fe

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法
本专利技术属于电化学
，具体涉及一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法。
技术介绍
由于锂离子电池具有能量密度高，使用寿命长，环境友好等优点，最近几年来成为了研究热点，并成功实现了商业化。为了发展下一代能够应用于电动汽车，大规模的能源存储设备的更有效的锂离子电池材料，能够寻找到一种具有优异的电化学性能的负极材料是个关键因素。铁的氧化物(Fe2O3,Fe3O4)具有高容量(～1000mAh/g)，低成本，来源广泛，无毒等优点，与现有的石墨电极(372mAhg-1)相比，具有显著的优势。然而单一的Fe3O4导电性差，充放电时易发生体积膨胀而导致活性粉从集流体表面脱落，而导致电极容量急剧下降，这些缺点大大限制了它的广泛应用，因此需要寻找导电性好的材料与其复合来提高其导电性，XiulinFan通过在Fe3O4并在表面进行包覆碳(J.Mater.Chem.A,2014,2,14641–14648)，来提高它的结构稳定性，但是由于材料的导电性较差，这种复合结构的倍率性能还有待提高。JishengZhou(RSCAdvances,2011,1,782–791)通过将Fe3O4石墨烯简单复合，来提高材料的导电性，但是由于Fe3O4只是简单附着到石墨烯表面，并未被石墨烯包覆，此种结构在充放电时还是会导致活性粉粉化，材料的稳定性还需要进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术通过石墨烯包覆其能有效解决Fe3O4导电性差，又能抑制体积膨胀，同时对石墨烯进行氮掺杂也可以大大提高石墨烯的反应活性位点，使电池结构更加稳定，从而提高电池的循环稳定性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：1)将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中，然后通过超声处理形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液A；2)将分析纯的可溶性铁盐和表面活性剂加入去离子水中，搅拌使铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B，混合溶液B中V乙二醇：V水＝(3～1)：1，铁盐的浓度为0.05～0.5mol/L,表面活性剂的浓度为0.05～0.5g/L,氧化石墨烯的浓度为0.5～2.5mg/mL；3)将混合溶液B进行微波反应，得到产物C；4)将产物C与尿素或三聚氰胺以质量比1:(1～5)混合研磨，然后密闭热解即得到氮掺杂的石墨烯包覆Fe3O4自组装微球锂离子电池负极材料。进一步地，步骤1)中将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中配置成1～5mg/mL的溶液。进一步地，步骤1)中超声处理的功率为300W，时间为1～3h。进一步地，步骤2)中所述的可溶性铁盐为草酸铁铵或硫酸铁铵。进一步地，步骤2)中所述的表面活性剂为PVP或PEG。进一步地，步骤2)中搅拌10min-30min，使铁盐充分溶解。进一步地，步骤3)中微波反应具体为：将混合溶液B倒入微波水热反应釜中，然后密封反应釜，将其放入微波水热反应仪中，反应温度控制在100-180℃，反应时间控制在10-120min。进一步地，微波水热反应釜的填充度为30％-80％。进一步地，步骤4)中密闭热解具体为：产物C与尿素或三聚氰胺混合研磨后放入瓷舟中，在管式炉中以3-10℃/min的升温速率升温至400-700℃后，保温1-5h，然后随炉冷却至室温。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术以提高产物的导电性，缓解体积膨胀为目的，进而制备了氮掺杂的石墨烯包覆分级Fe3O4多孔材料，其中石墨烯具有提供导电性，通过包覆来稳定结构的双重作用，大大提升了Fe3O4的的电化学性能，另外本专利技术利用有机铁盐与氧化石墨烯的配位，实现了氧化铁在石墨烯表面原位生长，进而形成石墨烯包覆的结构，实验方法简单，成本低廉，易于实现，采用了微波水热和高温热解的巧妙组合，这种氮掺杂的石墨烯包覆空心Fe3O4材料特殊结构，大大缓解了体积膨胀，提高了产物的导电性，产物的循环和倍率性能得到了大幅度的提升。进一步地，通过控制反应条件，本专利技术制备的氮掺杂的石墨烯包覆Fe3O4自组装微球锂离子电池负极材料在1A/g的电流下，首次放电达到了900-1350mAh/g,经过100次循环后，依然保持在750-11200mAh/g。附图说明图1为实施例1制备的产物的XRD图；图2为实施例1制备的产物的SEM图，放大倍数为1万倍；图3为实施例1制备的产物的SEM图，放大倍数为4万倍；图4为实施例1制备的产物的TEM图，放大倍数为4万倍；图5为实施例1制备的产物的TEM图，放大倍数为20万倍；图6为实施例1制备的产物的电化学性能图。具体实施方式下面对本专利技术做进一步详细描述：一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：1)将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中配置成1～5mg/mL的溶液，通过超声发生器以300W的功率超声1～3h,形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液A；2)将分析纯的可溶性铁盐(草酸铁铵或硫酸铁铵)，表面活性剂(PVP或PEG)加入到去离子水中，搅拌10min-30min，将铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B，其中溶剂为乙二醇和水的混合溶液，且V乙二醇：V水为(3～1)：1，铁盐的浓度为0.05～0.5mol/L,表面活性剂浓度为0.05～0.5g/L，氧化石墨烯的浓度为0.5～2.5mg/mL；3)将上述制备的混合溶液B，倒入微波水热反应釜中，填充度为30％-80％，然后密封反应釜，将其放入微波水热反应仪中，反应温度控制在100-180℃，反应时间控制在10-120min，反应结束后自然冷却到室温，将所得的产物记为C；4)将产物C与尿素(或三聚氰胺)以质量比1:1～1:5混合研磨，放入瓷舟中，在管式炉中密闭热解，热解温度为400-700℃，热解时间为1-5h,升温速率为3-10℃/min，最终得到氮掺杂的石墨烯包覆Fe3O4自组装微球锂离子电池负极材料。下面结合实施例对本专利技术做进一步详细描述：实施例11)将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇有机溶液中配置成1mg/mL的溶液，通过超声发生器以300W的功率超声1h,形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液记为悬浊液A；2)将分析纯的可溶性铁草酸铁铵，表面活性剂PVP加入到去离子水中，搅拌10min，将铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B，其中溶剂为乙二醇和水的混合溶液(V乙二醇：V水为3：1)，铁盐的浓度为0.05mol/L,PVP浓度为0.5g/L,氧化石墨烯的浓度为0.5mg/mL；3)将上述制备的混合溶液B，倒入微波水热反应釜中，填充度为50％，然后密封反应釜，将其放入微波水热反应仪中，反应温度控制在100℃，反应时间控制在10min，反应结束后自然冷却到室温，将所得的产物记为C；4)将产物C与尿素以质量比1:1混合研磨，放入瓷舟中，在管式炉中密闭热解，热解温度为400℃，热解时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中，然后通过超声处理形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液A；2)将分析纯的可溶性铁盐和表面活性剂加入去离子水中，搅拌使铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B，混合溶液B中V

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中，然后通过超声处理形成氧化石墨烯分散均匀的悬浊液A；2)将分析纯的可溶性铁盐和表面活性剂加入去离子水中，搅拌使铁盐充分溶解，然后加入到悬浊液A中，配置成铁盐和氧化石墨烯的混合溶液B，混合溶液B中V乙二醇：V水＝(3～1)：1，铁盐的浓度为0.05～0.5mol/L,表面活性剂的浓度为0.05～0.5g/L,氧化石墨烯的浓度为0.5～2.5mg/mL；3)将混合溶液B进行微波反应，得到产物C；4)将产物C与尿素或三聚氰胺以质量比1:(1～5)混合研磨，然后密闭热解即得到氮掺杂的石墨烯包覆Fe3O4自组装微球锂离子电池负极材料。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中将市售的氧化石墨烯溶解在乙二醇中配置成1～5mg/mL的溶液。3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中超声处理的功率为300W，时间为1～3h。4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的石墨烯包覆四氧化三铁自组装多级微球锂离子电池负极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丽云，齐慧，李嘉胤，黄剑锋，杜欣怡，马萌，李春光，陈文卓，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61