一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料及其制备方法和应用，所述α相梭子形多孔三氧化二铁材料是由铁盐、反丁烯二酸和二甲基甲酰胺制备而成，形其中，在所述铁盐和反丁烯二酸混合二甲基甲酰胺溶液中，铁盐和反丁烯二酸的质量比为2～2.4：1，且所述铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70 g/L；首先将铁盐和反丁烯二酸在二甲基甲酰胺中的混合,然后置于高压反应釜中溶剂热处理，通过离心分离并用乙醇洗涤生成的沉淀，再焙烧干燥后的沉淀，得到梭形α相多孔三氧化二铁材料。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术制备的α相梭子形多孔三氧化二铁材料应用于锂离子电池，极大改善了锂电池的容量保持率、倍率性能和循环寿命，工艺简单、重现性好、易于实施。

【技术实现步骤摘要】
一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，特别涉及一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池具有高电压、高容量、体积小、质量轻、无记忆效应、自放电小和循环寿命长等优点，使其成为21世纪极具潜力的新型化学电源。目前商业化锂电池中负极材料石墨的理论容量只有372mAh/g，不能满足高性能电池的应用需求。因此，开发具有更高容量、长循环寿命和高倍率性能的负极材料成为国内外研究者追逐的目标。其中，过渡金属氧化物三氧化二铁(Fe2O3)理论容量(1007mAh/g)是石墨的3倍，具有很大的应用前景；但其存在库伦效率低及循环寿命差的缺点。为了提高Fe2O3的电化学性能，主要从以下方面进行考虑：制备Fe2O3中空纳米材料,孔的存在一方面有利于电解质的渗透和锂离子的传输，另一方面可以缓解充放电过程中的材料体积的变化。通过此种方法可以显著改善三氧化二铁作为负极材料的库伦效率和循环性能。YansenWang等制备的孔状Fe2O3纳米材料，虽然取得了73%的首次库伦效率和循环50次后取得了898.5mAh/g的充电容量，但该制备方法繁杂需要用SiO2作为模板(MaterialsLetters,2016,171,125-128.)。为了探索一种简便的方法制备多孔微球状Fe2O3纳米结构材料，本专利技术利用简单的低温溶剂热方法制备了多孔三氧化二铁材料，避免了模板剂的使用。该梭子形α相多孔三氧化二铁纳米负极材料应用于锂电池，能显著提高锂电池的循环寿命（1C下循环150次后，取得了824.25mAh/g的充电容量和97.91%的容量保持率），目前还未见相关报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料及其制备方法和应用，以解决现有的三氧化二铁作为锂离子电池负极材料循环寿命差的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料，其创新点在于：所述α相梭子形多孔三氧化二铁材料是由铁盐、反丁烯二酸和二甲基甲酰胺制备而成，其中，在所述铁盐和反丁烯二酸混合二甲基甲酰胺溶液中，铁盐和反丁烯二酸的质量比为1：1～2：1，且所述铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70g/L。进一步地，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任一种。一种上述的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的制备方法，其创新点在于：首先将铁盐和反丁烯二酸在二甲基甲酰胺中的混合,然后置于高压反应釜中溶剂热处理，通过离心分离并用乙醇洗涤生成的沉淀，再焙烧干燥后的沉淀，得到梭形α相梭子形多孔三氧化二铁材料。进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤：（1）将铁盐和反丁烯二酸先后加入到盛有二甲基甲酰胺的容器中并搅拌直至全部溶解；其中铁盐和反丁烯二酸的质量比为1：1～2：1，且铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70g/L；（2）将步骤(1)中的混合二甲基甲酰胺溶液置于高压反应釜中，然后放置在烘箱中进行溶剂热处理，在＞80℃的温度条件下保持4小时后自然冷却至室温；（3）将步骤(2)中溶剂热处理后的样品，以5000～8000r/min的转速进行离心分离并用乙醇洗涤3～5次；最后将沉淀放入80～100℃的真空干燥箱中进行干燥，得到铁基金属有机骨架纳米球；（4）将步骤(3)得到的铁基金属有机骨架纳米球置于管式炉中，以0.2～0.8L/min的进气量通入空气保护气体，升温速率为2℃～5℃/min，升温到450～550℃并保温2～4小时后自然冷却至室温，得到梭子形α相多孔三氧化二铁材料。一种上述的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的应用，其创新点在于：所述α相多孔三氧化二铁材料在锂离子电池中的应用。进一步地，所述α相梭子形多孔三氧化二铁材料应用于CR2032扣式锂离子电池的具体步骤是：（ａ）按照质量比将梭子形α相梭子形多孔三氧化二铁材料：导电炭黑：导电剂SuperP=7:2:1进行混合，搅拌均匀，得到固体混合物；（ｂ）将步骤（ａ）得到的固体混合物与N-甲基吡咯烷酮按照质量比为20：80～25：75进行混合，搅拌均匀，制得浆料；（ｃ）将步骤（ｂ）得到的浆料涂覆在铜箔上，经干燥、辊压后制得厚度为13～22µm的锂离子电池电极片；（ｄ）将步骤（ｃ）得到的锂离子电池电极片作为电极负极片，采用微孔聚丙烯膜为隔膜，采用的电解液为1mol/LLiPF6，溶剂为等体积的碳酸二甲酯和碳酸二丙酯，在充满氩气的手套箱中装配成CR2032扣式锂离子电池。本专利技术的优点在于：本专利技术制备的α相梭子形多孔三氧化二铁材料可作为优良的锂离子电池负极材料，能够显著提高锂电池的循环寿命（1C下循环150次后，取得了824.5mAh/g的充电容量和76%的容量保持率），而且工艺简单、重现性好、易于实施，适合大规模生产。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术实施例1制备的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的X射线衍射结果，分别对应于三氧化二铁(JCPDS卡:33-0664)的峰。图2是本专利技术实施例1制备的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的扫描电镜图。图3是本专利技术实施例1制备的α相梭子形多孔三氧化二铁材料作为负极材料的锂离子电池在1C下的循环性能曲线。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。实施例1(1)将0.649g氯化铁和0.649g反丁烯二酸加入到盛有16ml二甲基甲酰胺的烧杯中不断搅拌，直至全部溶解；(2)将步骤(1)中的混合二甲基甲酰胺溶液置于20mL高压反应釜中，然后放置在烘箱中进行溶剂热处理，在80℃下保持4小时后自然冷却至室温；(3)将步骤(2)中溶剂热后的样品，以5000r/min的转速进行离心分离并用乙醇洗涤4次；最后将沉淀放入真空干燥中80℃进行干燥，得到铁基金属有机骨架纳米纤维；(4)将步骤(3)干燥后的铁基金属有机骨架纳米纤维置于管式炉中，以0.15L/min的进气量通入空气保护气体，升温速率为2℃/min，升温到500℃并保温4小时后自然冷却至室温，得到α相梭子形多孔三氧化二铁材料。将实施例中得到的α相梭子形多孔三氧化二铁材料进行X射线衍射和电镜扫描，由图2可以看出，得到的α相多孔三氧化二铁材料为梭子形，图1表面，采用此法制备的梭子形α相多孔三氧化二铁材料纯度高，没有其他杂质。锂离子电池的组装和性能测试:按照质量比80:10:10将梭形α相多孔三氧化二铁材料、导电炭黑及SuperP混合均匀，按照质量比为20：80加入N-甲基吡咯烷酮并搅拌均匀，制得浆料；之后将浆料涂覆在铜箔上，经干燥、辊压后制得锂离子电池电极片。随后以锂片作为电极正极片，微孔聚丙烯膜为隔膜，1mol/LLiPF6(溶剂为等体积的碳酸二甲酯和碳酸二丙酯)为电解液，与此电极片在充满氩气的手套箱中装配成CR2032扣式锂离子电池。将锂离子电池静置24小时后，分别在0.1C电流下进行充放电循环性能测试，充放电压为0.01～3.0V之间。从图3可以看出，采用本方法制备的梭形α相多孔三氧化二铁材料作为电极材料，应用于锂离子电池，在循环150圈后,充放电比容量分别为824.5mAh/g和807.9mAh/g,容量保持本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料，其特征在于：所述α相梭子形多孔三氧化二铁材料是由铁盐、反丁烯二酸和二甲基甲酰胺制备而成，其中，在所述铁盐和反丁烯二酸混合二甲基甲酰胺溶液中，铁盐和反丁烯二酸的质量比为1：1～2.4：1，且所述铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70 g/L。

【技术特征摘要】
1.一种α相梭子形多孔三氧化二铁材料，其特征在于：所述α相梭子形多孔三氧化二铁材料是由铁盐、反丁烯二酸和二甲基甲酰胺制备而成，其中，在所述铁盐和反丁烯二酸混合二甲基甲酰胺溶液中，铁盐和反丁烯二酸的质量比为1：1～2.4：1，且所述铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70g/L。2.根据权利要求1所述的α相梭子形多孔三氧化二铁材料，其特征在于：所述铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中的任一种。3.一种权利要求1所述的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的制备方法，其特征在于：首先将铁盐和反丁烯二酸在二甲基甲酰胺中的混合,然后置于高压反应釜中溶剂热处理，通过离心分离并用乙醇洗涤生成的沉淀，再焙烧干燥后的沉淀，得到梭子形α相多孔三氧化二铁材料。4.根据权利要求3所述的α相梭子形多孔三氧化二铁材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体包括以下步骤：（1）将铁盐和反丁烯二酸先后加入到盛有二甲基甲酰胺的容器中并搅拌直至全部溶解；其中铁盐和反丁烯二酸的质量比为1:1～2：1，且铁盐在二甲基甲酰胺中的浓度为40.58～48.70g/L；（2）将步骤(1)中的混合二甲基甲酰胺溶液置于高压反应釜中，然后放置在烘箱中进行溶剂热处理，在＞80℃的温度条件下保持4小时后自然冷却至室温；（3）将步骤(2)中溶剂热处理后的样品，以5000～8000r/min的转速进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，杨宏训，王震康，
申请(专利权)人：江苏科技大学，江苏科技大学海洋装备研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32