一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法。以糖为原料通过水热法制备碳颗粒模板；以碳颗粒为模板，加入锌盐和铁盐，以碱为沉淀剂制备铁酸锌前驱体，在空气气氛中通过前驱体热解法获得铁酸锌纳米颗粒；分两步分别加入阴离子型聚电解质和氧化石墨烯，在氮气气氛中烧结得到目标碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料。本发明专利技术操作简单，易于批量生产，所用水或乙醇溶剂对环境友好。通过这种方法得到的复合负极材料中铁酸锌尺寸在20纳米左右，薄的2纳米的碳层均匀包覆在铁酸锌纳米颗粒外层，并且碳层与铁酸锌有强的共价键作用，石墨烯与碳层形成双重碳包覆结构，使复合负极材料形成三维导电网络，该复合材料具有优异的倍率性能和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法
本专利技术属于电极材料及其应用
，具体涉及一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池因其能量密度高、工作电压高、使用寿命长、环境友好、无记忆效应的优点被广泛应用于各种便携式电子产品中。然而，随着电动汽车和大型储能设备的快速发展，对锂离子电池的容量、能量密度和快速充放电能力提出了更高的要求。开发高性能的电极材料是提高锂离子电池性能的关键因素。目前商业化的锂离子电池负极材料大都使用石墨类碳材料，但其在充放电过程易产生锂枝晶，存在使电池发生爆炸的隐患，理论比容量较低（372mAh/g），难以满足新一代高容量储能设备的需求。因此寻找高容量、长循环寿命、高安全性的负极材料已成为锂离子电池研究的焦点。过渡金属氧化物因具有较高的理论比容量（500~1000mAh/g），引起了广泛的关注。其中，铁酸锌较一般过渡金属氧化物具有更高的理论容量（1000.5mAh/g）和较低的脱嵌锂平台，并且原料来源丰富，无毒，环境友好，安全，因而备受青睐。但铁酸锌存在导电性差，充放电过程中材料体积变化大且容易发生团聚的缺陷，使得材料的循环性能和倍率性能大幅度降低。针对这一问题，目前主要通过对材料纳米化以及与碳材料复合来改善铁酸锌负极材料的性能。但是目前铁酸锌-碳复合负极材料还存在主要不足是：（1）铁酸锌存在磁性，在制备过程中容易发生团聚，使获得的复合材料不均匀；（2）铁酸锌与碳材料在充放电过程中的体积膨胀率不同，使铁酸锌与碳材料容易发生脱离；（3）铁酸锌与碳材料的界面性能较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法，针对纯相铁酸锌负极材料缺陷，首先制备纳米尺度的铁酸锌，以聚酸类的阴离子型聚电解质为碳源，使铁酸锌与碳发生强的共价键作用，再引入石墨烯，形成三维的导电网络结构，制备了碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料，改善了电极材料导电性，循环性能和倍率性能差的问题。本专利技术提出的一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法，具体步骤如下：（1）将糖溶于去离子水中，得到浓度为0.2-2摩尔/升的糖溶液，接着将糖溶液置于水热釜中，140-200℃下加热2-10小时，将反应物离心，用乙醇和去离子水交替洗涤4遍，干燥后得到碳颗粒粉末；（2）将步骤（1）得到的碳颗粒粉末加入到乙醇溶液中，超声分散后搅拌，得到碳颗粒-乙醇分散液；接着将锌盐和铁盐溶于乙醇后，滴加至碳颗粒-乙醇分散液中，磁力搅拌0.1-10小时，得到第一混合分散液；将碱的乙醇溶液缓慢滴加至所述的第一混合分散液中，磁力搅拌2小时，离心、水洗和冷冻干燥后，得到粉末；然后将得到的粉末置于管式炉中，空气气氛200-800℃下煅烧0.5-5小时，获得铁酸锌粉末，其中：锌盐和铁盐中锌与铁的摩尔比为1.5:2，锌盐与碱的摩尔比为1.5:9；（3）将步骤（2）得到铁酸锌粉末超声分散在去离子水中，加入阴离子型聚电解质，磁力搅拌0.1-10小时，得到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液；接着将氧化石墨粉末超声分散到去离子水中后，得到氧化石墨烯水分散液；再将所述氧化石墨烯水分散液加入到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液中，继续磁力搅拌0.1-10小时，得到第二混合分散液；将所得第二混合分散液冷冻干燥后得到的样品置于管式炉中，氮气气氛200-800℃下煅烧0.5-5小时得到碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料；所述铁酸锌和阴离子型聚电解质的质量比为1：（0.1-2）；所述铁酸锌和氧化石墨的质量比为1：（0.1-2）。本专利技术中，步骤（1）中所述的糖为葡萄糖、果糖或蔗糖中的任意一种。本专利技术中，步骤（2）中所述的锌盐为氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、醋酸锌或相应结晶水合物中的任意一种。本专利技术中，步骤（2）中所述的铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁或相应结晶水合物中的任意一种。本专利技术中，步骤（2）中所述的碳颗粒与锌盐的比例为（50-500毫克）：1毫摩尔。本专利技术中，步骤（2）中所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水中的任意一种。本专利技术中，步骤（3）中所述的阴离子型聚电解质为聚酸类的聚电解质，具体为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸或聚乙烯磷酸中的任意一种。本专利技术的有利优势在于：一是借助碳颗粒模板得到尺寸均一的铁酸锌纳米颗粒，铁酸锌纳米颗粒尺寸在20纳米左右，二是以强亲和性的聚酸类阴离子型聚电解质为碳源，使铁酸锌与碳源有强的作用，减少铁酸锌在碳包覆过程的团聚，从而获得均匀的碳包覆铁酸锌复合材料，三是在碳包覆铁酸锌复合材料引入石墨烯，形成三维的导电网络结构，改善了电极材料导电性差的问题，并且在高温碳化后，铁酸锌与碳发生强的共价键作用，使复合材料在充放电过程中不发生脱离，得到的碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料具有优异的循环性能（0.2A/g电流密度下循环充放电500次后放电比容量高达942mAh/g）和倍率性能（5A/g电流密度下的放电比容量是0.1A/g电流密度下放电比容量的67.8%）。该方案操作简单，易于批量生产，解决了铁酸锌循环寿命和倍率性能差的关键问题，为实现铁酸锌材料在锂离子电池负极的应用提供一种有效途径。附图说明图1为碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的X射线衍射谱图。图2为铁酸锌的场发射扫描电镜照片。图3为碳包覆铁酸锌的透射电镜照片。图4为碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的场发射扫描电镜照片。图5为碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的倍率性能图。图6为碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料在0.2A/g下的循环性能图。具体实施方式以下结合附图进一步介绍本专利技术一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法的具体实施方式，提供实施例是为了便于理解本专利技术，但是绝不是限制本专利技术，本专利技术的实施不限于以下的实施方式。其它根据上述
技术实现思路
作出的一些非本质的改变，均属于本专利技术保护范围。实施例1（1）将葡萄糖溶于去离子水中，得到浓度为0.5摩尔/升的葡萄糖溶液，接着将葡萄糖溶液置于水热釜中，180℃下加热8小时，将反应物离心，用乙醇和去离子水交替洗涤4遍，干燥后得到碳颗粒粉末；（2）将步骤（1）得到的碳颗粒粉末（150毫克）加入到乙醇溶液中，超声分散后搅拌，得到碳颗粒-乙醇分散液；接着将氯化锌（1.5毫摩尔）和六水合氯化铁（2毫摩尔）溶于乙醇后，滴加至碳颗粒-乙醇分散液中，磁力搅拌5小时，得到第一混合分散液；将氨水（9毫摩尔）的乙醇溶液缓慢滴加至所述的第一混合分散液中，磁力搅拌2小时，离心、水洗和冷冻干燥后，得到粉末；然后将得到的粉末置于管式炉中，空气气氛500℃下煅烧2小时，获得铁酸锌粉末；（3）将步骤（2）得到铁酸锌粉末（100毫克）超声分散在去离子水中，加入聚丙烯酸（50毫克），磁力搅拌5小时，得到铁酸锌和聚丙烯酸的混合分散液；接着将氧化石墨粉末（20毫克）超声分散到去离子水中后，得到氧化石墨烯水分散液；再将所述氧化石墨烯水分散液加入到铁酸锌和聚丙烯酸的混合分散液中，继续磁力搅拌5小时，得到第二混合分散液；将所得第二混合分散液冷冻干燥后得到的样品置于管式炉中，氮气气氛500℃下煅烧2小时得到碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料。所得的碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料中铁酸锌通过X射线衍射可以看出为尖晶石结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1） 将糖溶于去离子水中，得到浓度为0.2‑2摩尔/升的糖溶液，接着将糖溶液置于水热釜中，140‑200℃下加热2‑10小时，将反应物离心，用乙醇和去离子水交替洗涤4遍，干燥后得到碳颗粒粉末；（2）将步骤（1）得到的碳颗粒粉末加入到乙醇溶液中，超声分散后搅拌，得到碳颗粒‑乙醇分散液；接着将锌盐和铁盐溶于乙醇后，滴加至碳颗粒‑乙醇分散液中，磁力搅拌0.1‑10小时，得到第一混合分散液；将碱的乙醇溶液缓慢滴加至所述的第一混合分散液中，磁力搅拌2小时，离心、水洗和冷冻干燥后，得到粉末；然后将得到的粉末置于管式炉中，空气气氛200‑800℃下煅烧0.5‑5小时，获得铁酸锌粉末，其中：锌盐和铁盐中锌与铁的摩尔比为1.5:2，锌盐与碱的摩尔比为1.5:9；（3）将步骤（2）得到铁酸锌粉末超声分散在去离子水中，加入阴离子型聚电解质，磁力搅拌0.1‑10小时，得到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液；接着将氧化石墨粉末超声分散到去离子水中后，得到氧化石墨烯水分散液；再将所述氧化石墨烯水分散液加入到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液中，继续磁力搅拌0.1‑10小时，得到第二混合分散液；将所得第二混合分散液冷冻干燥后得到的样品置于管式炉中，氮气气氛200‑800℃下煅烧0.5‑5小时得到碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料；所述铁酸锌和阴离子型聚电解质的质量比为1：（0.1‑2）；所述铁酸锌和氧化石墨的质量比为1：（0.1‑2）。...

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆铁酸锌/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）将糖溶于去离子水中，得到浓度为0.2-2摩尔/升的糖溶液，接着将糖溶液置于水热釜中，140-200℃下加热2-10小时，将反应物离心，用乙醇和去离子水交替洗涤4遍，干燥后得到碳颗粒粉末；（2）将步骤（1）得到的碳颗粒粉末加入到乙醇溶液中，超声分散后搅拌，得到碳颗粒-乙醇分散液；接着将锌盐和铁盐溶于乙醇后，滴加至碳颗粒-乙醇分散液中，磁力搅拌0.1-10小时，得到第一混合分散液；将碱的乙醇溶液缓慢滴加至所述的第一混合分散液中，磁力搅拌2小时，离心、水洗和冷冻干燥后，得到粉末；然后将得到的粉末置于管式炉中，空气气氛200-800℃下煅烧0.5-5小时，获得铁酸锌粉末，其中：锌盐和铁盐中锌与铁的摩尔比为1.5:2，锌盐与碱的摩尔比为1.5:9；（3）将步骤（2）得到铁酸锌粉末超声分散在去离子水中，加入阴离子型聚电解质，磁力搅拌0.1-10小时，得到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液；接着将氧化石墨粉末超声分散到去离子水中后，得到氧化石墨烯水分散液；再将所述氧化石墨烯水分散液加入到铁酸锌和阴离子型聚电解质的混合分散液中，继续磁力搅拌0.1-10小时，得到第二混合分散液；将所得第二混合分散液冷冻干燥后得到的样品置于管式炉中，氮气气氛2...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红斌，杨重阳，孙敏强，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31