一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法技术

一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法，它涉及一种自支撑电极的制备方法。本发明专利技术的目的是解决现有方法制备的锂离子电池自支撑负极材料中存在的产量低，比容量低，循环容量保有率差和倍率性能差等问题。方法：一、配置溶液；二、制备混合溶液；三、制备反应产物Ⅰ；四、制备加入粘结剂的悬浊液；五、制备自支撑材料；六、高温煅烧。利用本发明专利技术制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极组装的半电池先采取100mA/g循环3次，再采用1000mA/g循环500次后充电比容量超过600mAh/g，较首次充电比容量而言，容量保持率高达89.79％。本发明专利技术可获得一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法
本专利技术涉及一种自支撑电极的制备方法。
技术介绍
随着科技的发展，电化学储能装置在新一代清洁能源中起着越来越重要的作用。相比铅酸、镉镍电池等传统化学电源，锂离子二次电池由于具有较高的放电电压和能量密度、绿色环保而被广泛应用于便携式电子设备、电动车以及混合电动车领域。目前商业化锂离子电池负极材料主要为石墨类碳材料，但石墨负极较低的理论比容量(372mAh/g)已经不能满足现今对高能量密度锂离子电池的需求，其由于充放电电压平台低易在充电过程中产生锂枝晶而造成隔膜刺破和电池短路，从而引发安全事故。氧化铁由于具有理论比容量高(1007mAh/g)、充放电电压平台较高和来源广泛、廉价、无毒、环境友好等优点成为了研究的热点。石墨烯由于具有导电性好，比表面积高，机械性能良好等优点，近年来被广泛应用于复合材料的研究。由于氧化铁不导电，且用作锂离子电池电极材料时，在充放电过程中会产生较为严重的体积效应，因此导致容量的迅速衰减。将氧化铁与石墨烯二者结合，一方面利用石墨烯良好导电性弥补氧化铁不导电的缺点，另一方面通常将石墨烯作为骨架缓解氧化铁的体积效应，使得材料形貌结构有较好保持，有利于容量的保持。自支撑电极是指电极活性材料在不依靠集流体的情况下，可以独立作为电极组装电池使用。自支撑电极的出现节省了集流体的使用，简化了电极的制备工艺，缩短了电极的制备时间，具有实际的应用价值。由于水热法易合成形貌可控、结晶良好、纯度高的材料，近年来采用水热法合成氧化铁/石墨烯自支撑电极材料成为研究的热点。但现今采用的水热法制备氧化铁/石墨烯自支撑电极材料具有以下缺点：(1)水热釜中混合液的铁盐及石墨烯浓度低，使得产量低，远不能达到商业化生产的需求，对高浓度下制备工艺缺乏研究；(2)石墨烯通常采用Hummers法或其改进法制备氧化石墨烯并还原制得，该方法制备的石墨烯产量小，且还原石墨烯的导电性不理想，影响了材料的性能；(3)将制得的自支撑电极组装成锂离子电池，比容量、容量保有率、循环性能及倍率性能均不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有方法制备的锂离子电池自支撑负极材料中存在的产量低，比容量低，循环容量保有率差和倍率性能差等问题，而提出的一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法。一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、配置溶液：①、将铁盐溶于去离子水中，得到铁盐溶液；步骤一①中所述的铁盐的质量与去离子水的体积比为(2g～5g):(5mL～40mL)；②、将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；步骤一②中所述的尿素的质量与去离子水的体积比为(0.66g～2g):(5mL～10mL)；③、将石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液加入到去离子水中，得到石墨烯分散液；步骤一③中所述的石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液的质量与去离子水的体积比为(4.93g～23.66g):(10mL～25mL)；二、在搅拌速度为150r/min～400r/min下，将铁盐溶液逐滴滴加到石墨烯分散液中，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min，再逐滴滴入尿素溶液，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min；得到混合溶液；步骤二中所述的铁盐溶液与石墨烯分散液的体积比为(5～40):(10～25)；步骤二中所述的铁盐溶液与尿素溶液的体积比为(5～40):(5～10)；三、将混合溶液转移至含有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，再将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应，得到反应产物Ⅰ；步骤三中所述的将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应时含有聚四氟乙烯内衬的水热釜内的搅拌速度为100r/min～400r/min，油浴温度为110℃～220℃，油浴反应时间为4h～20h；四、将步骤三中得到的反应产物Ⅰ在搅拌速度为150r/min～400r/min下磁力搅拌5min～10min，得到分散均匀的悬浊液；向分散均匀的悬浊液中加入去离子水，再加入粘结剂溶液，再超声分散10min～30min，得到加入粘结剂的悬浊液；步骤四中所述的分散均匀的悬浊液与去离子水的体积比为0.7:10；步骤四中所述的粘结剂溶液的质量与分散均匀的悬浊液的体积比为0.2g:(0.5mL～3mL)；五、将步骤四中得到的加入粘结剂的悬浊液进行真空抽滤，得到产物Ⅱ；再将产物Ⅱ和滤膜进行干燥，最后去除滤膜，得到自支撑材料；六、将自支撑材料放入管式炉中，再将管式炉以升温速率为2℃/min～5℃/min的升温速率升温至300℃～800℃，再在温度为300℃～800℃下煅烧0.5h～10h，得到三氧化二铁/石墨烯自支撑电极材料。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术以商品化石墨烯导电液(即石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液)代替传统的Hummers及其改性法制备石墨烯，解决了传统方法制备的石墨烯导电性差，不能大规模应用于复合材料生产的缺点；二、本专利技术在传统水热法的基础上增加铁盐的浓度，有利于进一步增加产量；在水热釜中采用一步法原位合成复合材料，并直接抽滤成自支撑材料，将自支撑材料经过煅烧处理得到三氧化二铁/石墨烯自支撑电极材料，利于Fe2O3在石墨烯中的均匀分布；三、将铁盐溶液、尿素溶液和石墨烯分散液混合，得到的混合液，仅仅40mL混合液制得的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的产量就可达2g以上；电化学测试结果表明，本专利技术制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的首次放电容量达到了937mAh/g，首次充电容量为674mAh/g，库仑效率为72％；对半电池先采取100mA/g循环3次，再采用1000mA/g循环500次，循环过程中容量逐渐发生恢复，在循环500次后的充电比容量超过600mAh/g，较首次100mA/g充电比容量而言，容量保持率高达89.79％，且本专利技术制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的倍率性能良好，在2000mA/g电流密度下比容量达到262mAh/g，在5000mA/g电流密度下比容量达到了130mAh/g；并发现本专利技术制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极具有很好的可逆性，在5000mA/g下循环10次后，当电流密度恢复至100mA/g，比容量仍能达到570mAh/g。本专利技术可获得一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法。附图说明图1为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的数码照片图；图2为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极在100mA/g电流密度下活化3个循环后，在1000mAh/g电流密度下的循环性能图；图3为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极在100毫安/克、200毫安/克、500毫安/克、1000毫安/克、2000毫安/克、5000毫安/克、100毫安/克电流密度下各循环10次的性能图；图4为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的前三次循环伏安曲线，1为第一次循环伏安曲线，2为第二次循环伏安曲线，3为第三次循环伏安曲线；图5为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的首次充放电曲线，1为充电曲线，2为放电曲线；图6为实施例一制备的三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的SEM图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种三氧化二铁/石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：一、配置溶液：①、将铁盐溶于去离子水中，得到铁盐溶液；步骤一①中所述的铁盐的质量与去离子水的体积比为(2g～5g):(5mL～40mL)；②、将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；步骤一②中所述的尿素的质量与去离子水的体积比为(0.66g～2g):(5mL～10mL)；③、将石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液加入到去离子水中，得到石墨烯分散液；步骤一③中所述的石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液的质量与去离子水的体积比为(4.93g～23.66g):(10mL～25mL)；二、在搅拌速度为150r/min～400r/min下，将铁盐溶液逐滴滴加到石墨烯分散液中，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min，再逐滴滴入尿素溶液，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min；得到混合溶液；步骤二中所述的铁盐溶液与石墨烯分散液的体积比为(5～40):(10～25)；步骤二中所述的铁盐溶液与尿素溶液的体积比为(5～40):(5～10)；三、将混合溶液转移至含有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，再将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应，得到反应产物Ⅰ；步骤三中所述的将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应时含有聚四氟乙烯内衬的水热釜内的搅拌速度为100r/min～400r/min，油浴温度为110℃～220℃，油浴反应时间为4h～20h；四、将步骤三中得到的反应产物Ⅰ在搅拌速度为150r/min～400r/min下磁力搅拌5min～10min，得到分散均匀的悬浊液；向分散均匀的悬浊液中加入去离子水，再加入粘结剂溶液，再超声分散10min～30min，得到加入粘结剂的悬浊液；步骤四中所述的分散均匀的悬浊液与去离子水的体积比为0.7:10；步骤四中所述的粘结剂溶液的质量与分散均匀的悬浊液的体积比为0.2g:(0.5mL～3mL)；五、将步骤四中得到的加入粘结剂的悬浊液进行真空抽滤，得到产物Ⅱ；再将产物Ⅱ和滤膜进行干燥，最后去除滤膜，得到自支撑材料；六、将自支撑材料放入管式炉中，再将管式炉以升温速率为2℃/min～5℃/min的升温速率升温至300℃～800℃，再在温度为300℃～800℃下煅烧0.5h～10h，得到三氧化二铁/石墨烯自支撑电极材料。...

【技术特征摘要】
1.一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：一、配置溶液：①、将铁盐溶于去离子水中，得到铁盐溶液；步骤一①中所述的铁盐的质量与去离子水的体积比为(2g～5g):(5mL～40mL)；②、将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；步骤一②中所述的尿素的质量与去离子水的体积比为(0.66g～2g):(5mL～10mL)；③、将石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液加入到去离子水中，得到石墨烯分散液；步骤一③中所述的石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液的质量与去离子水的体积比为(4.93g～23.66g):(10mL～25mL)；二、在搅拌速度为150r/min～400r/min下，将铁盐溶液逐滴滴加到石墨烯分散液中，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min，再逐滴滴入尿素溶液，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min；得到混合溶液；步骤二中所述的铁盐溶液与石墨烯分散液的体积比为(5～40):(10～25)；步骤二中所述的铁盐溶液与尿素溶液的体积比为(5～40):(5～10)；三、将混合溶液转移至含有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，再将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应，得到反应产物Ⅰ；步骤三中所述的将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应时含有聚四氟乙烯内衬的水热釜内的搅拌速度为100r/min～400r/min，油浴温度为110℃～220℃，油浴反应时间为4h～20h；四、将步骤三中得到的反应产物Ⅰ在搅拌速度为150r/min～400r/min下磁力搅拌5min～10min，得到分散均匀的悬浊液；向分散均匀的悬浊液中加入去离子水，再加入粘结剂溶液，再超声分散10min～30min，得到加入粘结剂的悬浊液；步骤四中所述的分散均匀的悬浊液与去离子水的体积比为0.7:10；步骤四中所述的粘结剂溶液的质量与分散均匀的悬浊液的体积比为0.2g:(0.5mL～3mL)；五、将步骤四中得到的加入粘结剂的悬浊液进行真空抽滤，得到产物Ⅱ；再将产物Ⅱ和滤膜进行干燥，最后去除滤膜，得到自支撑材料；六、将自支撑材料放入管式炉中，再将管式炉以升温速率为2℃/min～5℃/min的升温速率升温至300℃～800℃，再在温度为300℃～800℃下煅烧0.5h～10h，得到三氧化二铁/石墨烯自支撑电...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁国辉，许俊，刘荣，李小龙，黎恩源，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23