一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法，属于纳米材料和化学电源技术领域。本发明专利技术通过分别将聚乙烯吡咯烷酮均匀溶于乙醇，乙酸镍和硝酸铁均匀溶于N，N-二甲基甲酰胺，再将二者混合，搅拌均匀后形成纺丝液，再利用静电纺丝技术制备出PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合纳米纤维膜，然后经过高温煅烧得到铁酸镍纳米纤维负极材料。本发明专利技术所述的制备工艺简单，便于操作，生产成本低。本发明专利技术制备的材料用于锂离子电池负极材料，具有优异的电化学性质，首次充放电效率高，比容量高，循环性能好，同时具有良好的高倍率特性，克服了以往颗粒状负极材料相应的缺点，可作为新一代锂离子电池负极材料在便携设备中得到广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法，属于纳米材料和化学电源

技术介绍
随着人口的日益增加和经济的快速发展，使得当今社会面临巨大的环境能源危机。而地球资源有限，一方面迫使人们提高对资源的利用率，另一方面能源的有效存储比历史上任何时候都显得更加重要。电池作为一种重要的新能源，越来越引起人们的关注。而对于当前的电池工业而言，环境污染和资源浪费是面临的主要问题。为了减少污染、保护环境、维护生态平衡，应当尽可能扩大资源种类、选用储量丰富及有利于环保的资源。因此，锂离子电池作为一种绿色清洁储能装置，具有循环使用寿命长、无环境污染、体积小、重量轻、比能量高等优点，开始逐步进入人们视野。特别是随着便携设备，娱乐设备，计算机及混合动力交通工具在生活中比重的增加，如手机，笔记本电脑，相机，混合动力汽车等，使得锂离子电池在便携设备上所占的地位越来越重。锂离子电池的负极材料主要是作为储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出。因此负极材料的研究对锂离子电池起着决定性的作用。而目前商业化锂离子电池负极材料使用的多为碳材料，这些碳材料的实际比容量一般都不超过400mAh／g，远远不能满足储能装置的高能量密度要求。因此，开发和研究一种新型高能量密度的锂离子电池负极材料对锂离子电池的发展和应用具有重大意义。过渡金属氧化物负极材料具有600～800mAh／g的高比容量，密度也较大，而且还能承受较大功率的充放电，是一种理想的锂离子电池负极材料。同时结合纳米技术，使得制得的纳米过渡金属氧化物负极材料具有明显优于微米级以上的粒子的电化学性能，如比表面积大、锂离子扩散行程短、脱嵌深度小、可逆容量高、循环寿命长等。近年来，有不少关于铁酸镍纳米颗粒负极材料的报道。但这种无机氧化物颗粒负极材料的循环性能、可逆容量受结晶度、颗粒大小、颗粒形态的影响甚大。而制备铁酸镍纳米纤维用于锂离子电池负极材料的相关报道还少有见到。
技术实现思路
针对现有技术的缺点和不足，本专利技术的首要目的是提供一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法；要求其提高循环效率和快速充放电能力，同时该方法加工成本低、工艺简单易控制、周期短、高效节能，便于进一步扩大化生产。本专利技术的技术方案是采用静电纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)，硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，乙醇和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为原料。先利用静电纺制备PVP／C4H6NiO4/Fe(NO3)3复合纳米纤维膜，然后将所得到的复合纳米纤维膜放在高温管式炉中煅烧，便得到铁酸镍纳米纤维负极材料。具体步骤如下：(1)称取一定量的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶解于乙醇中，配制质量分数为6～15％的溶液，放入磁性转子，并调节适当的转速，室温下搅拌12～24小时至均匀，静置除泡。(2)称取一定量的乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)(摩尔比为1：2)溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，同样放入磁性转子，调节适当转速，室温下搅拌8～24小时至形成均匀溶液。(3)将步骤(2)中的溶液缓缓倒入步骤(1)的溶液中，继续室温搅拌3～6小时至均匀。(4)将步骤(3)中的溶液在静电纺丝装置中进行纺丝，得到PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合纳米纤维膜，纺丝电压为12～20kV，接收距离为10～20cm，纺丝速度为0.3～1.5mL／h。(5)将步骤(4)中得到的复合纳米纤维膜放入管式炉中煅烧，在空气氛中从室温升温至400～800℃，保持温度3～8h，升温速率为0.2～5℃／min，煅烧结束后自然降温至室温。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和效果：(1)本专利技术的锂离子电池负极材料铁酸镍纳米纤维制备工艺简单，一步煅烧就能得到最终纯相产品，生产成本低廉，便于进一步扩大生产。(2)本专利技术制备的铁酸镍纳米纤维负极材料具有优异的电化学性能，首次充放电效率高，比容量高(首次可达1300mAh／g以上)，循环性能好，同时具有良好的高倍率特性和快速充放电能力。附图说明图1为本专利技术中制备的铁酸镍纳米纤维的扫描电子显微镜图像。图2为本专利技术中制备的铁酸镍纳米纤维负极材料的首周充放电曲线。所得样品经过扫描电子显微镜观察(见图1)，发现样品是由粗细不均匀的纳米纤维组成，纤维直径大小为100～230nm。所得样品经过充放电性能测试(见图2)，发现初始充电容量高达1300mAh／g，说明该材料作为锂离子电池负极材料具有较好的应用前景。具体实施方式实施例1称取PVP1.565g加入18g乙醇溶液中，配制质量分数为8％的溶液，放入磁性转子，调节适当的转速，室温下搅拌12～24小时至均匀，静置除泡。同时称取1.245g的C4H6NiO4·4H2O和4.04g的Fe(NO3)3·9H2O(C4H6NiO4·4H2O和Fe(NO3)3·9H2O摩尔比为1：2)溶解于10mL DMF中，同样放入磁性转子，调节适当转速，室温下搅拌8～24小时至均匀。待两者都形成均匀溶液后，将DMF溶液加入到乙醇溶液中，继续室温搅拌3～6小时至均匀。然后，将所配制的纺丝液在自制静电纺丝装置中进行纺丝，在纺丝电压为12kV，接收距离为10cm，纺丝速度为0.3mL／h的工艺条件下，得到PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合纳米纤维膜。再将得到的复合纳米纤维膜放入管式炉中煅烧，在空气氛中从室温升温至800℃，保持800℃5h，升温速率为0.2℃／min，煅烧结束后自然降温至室温。实施例2称取PVP2g加入18g乙醇溶液中，配制质量分数为10％的溶液，放入磁性转子，调节适当的转速，室温下搅拌12～24小时至均匀，静置除泡。同时称取1.245g的C4H6NiO4·4H2O和4.04g的Fe(NO3)3·9H2O(C4H6NiO4·4H2O和Fe(NO3)3·9H2O摩尔比为1：2)溶解于10mLDMF中，同样放入磁性转子，调节适当转速，室温下搅拌8～24小时至均匀。待两者都形成均匀溶液后，将DMF溶液加入到乙醇溶液中，继续室温搅拌3～6小时至均匀。然后，将所配制的纺丝液在自制静电纺丝装置中进行纺丝，纺丝电压为18kV，接收距离为16cm，纺丝速度为0.5mL／h，得到PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合纳米纤维膜。再将得到的复合纳米纤维膜放入管式炉中煅烧，在空气氛中从室温升温至600℃，保持600℃8h，升温速率为1℃／mmin，煅烧结束后自然降温至室温。实施例3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法，其特征在于通过如下具体步骤制得：1)称取一定量的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶解于乙醇中，配制质量分数为6～15％的乙醇溶液，放入磁性转子，并调节适当的转速，室温下搅拌12～24小时至均匀，静置除泡。2)称取一定量的乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)(摩尔比为1：2)溶解于N，N‑二甲基甲酰胺(DMF)中，同样放入磁性转子，调节适当转速，室温下搅拌8～24小时至形成均匀溶液。3)将步骤2)中的溶液缓缓倒入步骤1)的溶液中，继续室温搅拌3～6小时至均匀。4)将步骤3)中的溶液在静电纺丝装置中进行纺丝，得到PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合纳米纤维膜。纺丝条件：电压为12～20kV，接收距离为10～20cm，纺丝速度为0.3～1.5mL／h。5)将步骤4)中得到的复合纳米纤维膜放入管式炉中煅烧，在空气氛中从室温升温至400～800℃，保持温度3～8h，升温速率为0.2～5℃／min，煅烧结束后自然降温至室温。

【技术特征摘要】
1.一种铁酸镍纳米纤维负极材料的制备方法，其特征在于通过如下具体步骤制得：
1)称取一定量的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶解于乙醇中，配制质量分数为6～15％的
乙醇溶液，放入磁性转子，并调节适当的转速，室温下搅拌12～24小时至均匀，静置除泡。
2)称取一定量的乙酸镍(C4H6NiO4·4H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)(摩尔比为1：2)
溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，同样放入磁性转子，调节适当转速，室温下搅拌8～24
小时至形成均匀溶液。
3)将步骤2)中的溶液缓缓倒入步骤1)的溶液中，继续室温搅拌3～6小时至均匀。
4)将步骤3)中的溶液在静电纺丝装置中进行纺丝，得到PVP／C4H6NiO4／Fe(NO3)3复合
纳米纤维膜。纺丝条件：电压为12～20kV，接收距离为10～20cm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔辉，罗磊，陈克，张玄，陈晓东，魏取福，蔡以兵，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32