锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法技术

锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法，它涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有ZnFe2O4锂离子电池负极材料在长期循环过程中材料结构相变引起材料体积急剧变化，使得材料粉化，循环性能大幅度下降的问题。方法：一、制备糖颗粒；二、制备碳微球；三、制备碳微球悬浊液；四、制备锌-铁混合溶液；五、制备锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液；六、制备共混物；七、制备纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末；八、烧结，得到锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料。本发明专利技术制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料作为锂离子电池电极材料使用。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法。
技术介绍
石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭与人类与日俱增的能源需求的矛盾以及化石燃料产生的污染气体对环境造成的巨大破坏，导致目前全球变暖、疾病肆虐和自然灾害频繁发生，促使人们寻求清洁环保的替代能源。作为一种高效的清洁能源，锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应和循环稳定性强的特点，已经成为大量电子产品不可或缺的组成部分，更为重要的是，锂离子电池极有可能替代石油成为动力汽车的动力源。负极材料的设计与制备是获得高性能锂离子二次电池的关键。目前商业化的锂离子电池负极材料多使用碳材料，在充放电过程中“锂枝晶”的形成，容易造成电池短路引发爆炸，且石墨类碳材料的理论容量仅为372mAh/g，因此寻找安全性能更好、比容量更高、循环寿命更长的新型负极材料，已成为锂离子电池研究的焦点。复合过渡金属氧化物材料可以综合运用各单一过渡金属氧化物的电化学活性，有效调控电池的工作电压和可逆容量，很有可能成为下一代极具潜力的高比能量、高比功率锂离子电池负极材料。其中ZnFe2O4以多种储锂机制并存，显示出优良的储锂性能，然而，由于ZnFe2O4的低电导率以及材料结构相变的影响，长期循环过程中材料体积的急剧变化，使得材料粉化，循环性能大幅度下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有ZnFe2O4锂离子电池负极材料在长期循环过程中材料结构相变引起材料体积急剧变化，使得材料粉化，循环性能大幅度下降的问题，而提供锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法。锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：一、制备糖颗粒：将糖溶于水中，并磁力搅拌混匀，得到浓度为0.5mol/L～2.0mol/L均相混合糖溶液，然后在温度为180℃下进行喷雾干燥，得到糖颗粒；二、制备碳微球：将糖颗粒置于管式炉中，在氮气保护下以升温速率为1℃/min～3℃/min从室温升温至500℃，然后在氮气保护下以升温速率为5℃/min～10℃/min从温度为500℃升温至700℃～1200℃，随炉冷却至室温后取出，得到碳微球；三、制备碳微球悬浊液：将碳微球加入蒸馏水中，并磁力搅拌2h～4h，得到碳微球悬浊液；步骤三中所述的碳微球的质量与蒸馏水的体积比为1g:(20mL～30mL)；四、制备锌-铁混合溶液：将锌源化合物和铁源化合物依次加入溶剂中，搅拌至锌源化合物和铁源化合物完全溶解，得到锌-铁混合溶液；步骤四中所述的锌-铁混合溶液中Zn2+与Fe3+的摩尔比为1:2；步骤四中所述的锌源化合物的质量与溶剂的体积比为1g:(120mL～180mL)；五、制备锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液：向锌-铁混合溶液中加入乙二醇和尿素，并磁力搅拌2h～4h，得到锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物的质量与乙二醇的体积比为1g:(200mL～250mL)；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物与尿素的质量比为1:(4～5)；六、制备共混物：将碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液混合，并磁力搅拌混匀，得到共混物；步骤六中所述的碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液的体积比为1:(4～6)；七、制备纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末：将共混物转移至反应釜中，并在温度为180～240℃下反应12h～48h，冷却至室温后取出，然后进行过滤或者磁性分离，得到固体产物，先采用蒸馏水对固体产物清洗3～6次，再采用乙醇清洗3～6次，最后在温度为40～80℃真空干燥箱中干燥4h～8h，得到纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末；八、烧结：将纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末放置在马弗炉中，在温度为500～800℃下烧结3h～5h，得到锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料。本专利技术优点：一、本专利技术方法合成的锂离子中空ZnFe2O4纳米负极材料具有优异的电化学性能，首次放电容量可以达到1000mAhg-1以上，充电容量为950mAhg-1以上，其库仑效率达到85％以上，后续循环过程中，可逆容量可以维持在930mAhg-1左右，以50mAg-1的电流循环50次后，其可逆容量依旧能保持790mAhg-1左右，为传统石墨类炭材料容量的2倍以上，且容量保持率达到80％左右，利用本专利技术制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料具有优良的循环稳定性能和较高的比容量。二、本专利技术制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料具有特殊结构(纳米级中空结构)，纳米粒径可以改善电极与电解液间的接触能力，中空结构可以提高锂离子的可逆脱嵌速率，并有效缓冲反应过程中产生的体积膨胀和收缩。该制备方法获得的材料有望推动高容量、高循环稳定性动力电池在动力汽车、高能量储能设备等上的应用进程。附图说明图1是试验一制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的XRD图谱；图2是试验一制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的SEM图；图3是试验一制备的锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的TEM图；图4是试验二制备的CR2025型电池前十次的充放电曲线图；图中A表示第一次充放电曲线图，图中B表示第二次充放电曲线图，图中C表示第三次充放电曲线图，图中D表示第四次充放电曲线图，图中E表示第五次充放电曲线图，图中F表示第十次充放电曲线图；图5是试验二制备的CR2025型电池循环性能图，图中▲表示放电曲线图，图中▼表示充电曲线图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：一、制备糖颗粒：将糖溶于水中，并磁力搅拌混匀，得到浓度为0.5mol/L～2.0mol/L均相混合糖溶液，然后在温度为180℃下进行喷雾干燥，得到糖颗粒；二、制备碳微球：将糖颗粒置于管式炉中，在氮气保护下以升温速率为1℃/min～3℃/min从室温升温至500℃，然后在氮气保护下以升温速率为5℃/min～10℃/min从温度为500℃升温至700℃～1200℃，随炉冷却至室温后取出，得到碳微球；三、制备碳微球悬浊液：将碳微球加入蒸馏水中，并磁力搅拌2h～4h，得到碳微球悬浊液；步骤三中所述的碳微球的质量与蒸馏水的体积比为1g:(20mL～30mL)；四、制备锌-铁混合溶液：将锌源化合物和铁源化合物依次加入溶剂中，搅拌至锌源化合物和铁源化合物完全溶解，得到锌-铁混合溶液；步骤四中所述的锌-铁混合溶液中Zn2+与Fe3+的摩尔比为1:2；步骤四中所述的锌源化合物的质量与溶剂的体积比为1g:(120mL～180mL)；五、制备锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液：向锌-铁混合溶液中加入乙二醇和尿素，并磁力搅拌2h～4h，得到锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物的质量与乙二醇的体积比为1g:(200mL～250mL)；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物与尿素的质量比为1:(4～5)；六、制备共混物：将碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液混合，并磁力搅拌混匀，得到共混物；步骤六中所述的碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液的体积比为1:(4～6)；七、制备纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末：将共混物转移本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法，其特征在于锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法是按以下步骤进行的：一、制备糖颗粒：将糖溶于水中，并磁力搅拌混匀，得到浓度为0.5mol/L～2.0mol/L均相混合糖溶液，然后在温度为180℃下进行喷雾干燥，得到糖颗粒；二、制备碳微球：将糖颗粒置于管式炉中，在氮气保护下以升温速率为1℃/min～3℃/min从室温升温至500℃，然后在氮气保护下以升温速率为5℃/min～10℃/min从温度为500℃升温至700℃～1200℃，随炉冷却至室温后取出，得到碳微球；三、制备碳微球悬浊液：将碳微球加入蒸馏水中，并磁力搅拌2h～4h，得到碳微球悬浊液；步骤三中所述的碳微球的质量与蒸馏水的体积比为1g:(20mL～30mL)；四、制备锌‑铁混合溶液：将锌源化合物和铁源化合物依次加入溶剂中，搅拌至锌源化合物和铁源化合物完全溶解，得到锌‑铁混合溶液；步骤四中所述的锌‑铁混合溶液中Zn2+与Fe3+的摩尔比为1:2；步骤四中所述的锌源化合物的质量与溶剂的体积比为1g:(120mL～180mL)；五、制备锌‑铁‑乙二醇‑尿素混合溶液：向锌‑铁混合溶液中加入乙二醇和尿素，并磁力搅拌2h～4h，得到锌‑铁‑乙二醇‑尿素混合溶液；步骤五中所述的锌‑铁混合溶液中锌源化合物的质量与乙二醇的体积比为1g:(200mL～250mL)；步骤五中所述的锌‑铁混合溶液中锌源化合物与尿素的质量比为1:(4～5)；六、制备共混物：将碳微球悬浊液与锌‑铁‑乙二醇‑尿素混合溶液混合，并磁力搅拌混匀，得到共混物；步骤六中所述的碳微球悬浊液与锌‑铁‑乙二醇‑尿素混合溶液的体积比为1:(4～6)；七、制备纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末：将共混物转移至反应釜中，并在温度为180～240℃下反应12h～48h，冷却至室温后取出，然后进行过滤或者磁性分离，得到固体产物，先采用蒸馏水对固体产物清洗3～6次，再采用乙醇清洗3～6次，最后在温度为40～80℃真空干燥箱中干燥4h～8h，得到纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末；八、烧结：将纳米尖晶石型ZnFe2O4粉末放置在马弗炉中，在温度为500～800℃下烧结3h～5h，得到锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料。...

【技术特征摘要】
1.锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法，其特征在于锂离子电池中空ZnFe2O4纳米负极材料的制备方法是按以下步骤进行的：一、制备糖颗粒：将糖溶于水中，并磁力搅拌混匀，得到浓度为0.5mol/L～2.0mol/L均相混合糖溶液，然后在温度为180℃下进行喷雾干燥，得到糖颗粒；步骤一中所述的糖为葡萄糖或蔗糖；二、制备碳微球：将糖颗粒置于管式炉中，在氮气保护下以升温速率为1℃/min～3℃/min从室温升温至500℃，然后在氮气保护下以升温速率为5℃/min～10℃/min从温度为500℃升温至700℃～1200℃，随炉冷却至室温后取出，得到碳微球；三、制备碳微球悬浊液：将碳微球加入蒸馏水中，并磁力搅拌2h～4h，得到碳微球悬浊液；步骤三中所述的碳微球的质量与蒸馏水的体积比为1g：(20mL～30mL)；四、制备锌-铁混合溶液：将锌源化合物和铁源化合物依次加入溶剂中，搅拌至锌源化合物和铁源化合物完全溶解，得到锌-铁混合溶液；步骤四中所述的锌-铁混合溶液中Zn2+与Fe3+的摩尔比为1:2；步骤四中所述的锌源化合物的质量与溶剂的体积比为1g：(120mL～180mL)；五、制备锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液：向锌-铁混合溶液中加入乙二醇和尿素，并磁力搅拌2h～4h，得到锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物的质量与乙二醇的体积比为1g：(200mL～250mL)；步骤五中所述的锌-铁混合溶液中锌源化合物与尿素的质量比为1：(4～5)；六、制备共混物：将碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素混合溶液混合，并磁力搅拌混匀，得到共混物；步骤六中所述的碳微球悬浊液与锌-铁-乙二醇-尿素...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖丽霞，方涛，陈立钢，王明，刘光跃，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23