碱土金属铁酸盐电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及碱土金属铁酸盐的制备方法及其应用，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮加到N,N‑二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清透明溶液；2)按比例称取铁源和钙源或镁源；加入到步骤1)得到的溶液中，继续搅拌；3)将步骤2)中得到的溶液烘干，得红色玻璃状产物；4)将步骤3)得到的干燥产物进行烧结热处理，首先是低温热处理，然后高温热处理，最后自然冷却，取出即得CaFe2O4或MgFe2O4样品。本发明专利技术的有益效果是：作为新型的锂离子电池负极活性材料，电化学性能优异，表现出较高的比容量，超好的循环稳定性和优异的倍率性能；本发明专利技术的工艺简单，原料成本低廉，合成过程绿色环保，产量丰富，适合于大规模生产。

Alkaline earth metal ferrate electrode materials and their preparation methods and Applications

Preparation and application of the present invention relates to a method of alkaline earth metal ferrite, which comprises the following steps: 1) the polyvinylpyrrolidone is added to N, N stirring two DMF, and get clear and transparent solution; 2) weigh in proportion to iron source and source of calcium or magnesium source added to step 1;) in the solution obtained, continue stirring; 3) step 2) solution obtained in the drying, red glass products; 4) step 3) dried product by sintering and heat treatment, the first is the low temperature heat treatment, and heat treatment, the natural cooling, out of the CaFe2O4 or MgFe2O4 samples. The invention has the advantages that: as the lithium ion battery anode active material model, excellent electrochemical performance, showing high specific capacity, good cycle stability and excellent rate performance; the invention has simple process, low cost of raw materials, the synthesis process of green environmental protection, abundant resources, suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
碱土金属铁酸盐电极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及一类碱土金属铁酸盐的制备方法及其应用。
技术介绍
随着人们环保意识的日益增强和对资源利用率的关注，可充电电池逐渐成为研究的焦点，而锂原电池的成功应用大大推动了锂离子电池的研究和发展，使锂离子电池成为关注的重点。锂离子电池作为可移动电源现已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机、音乐播放器等小功率低能量密度产品。在不久的将来，大功率高能量密度的锂离子电池在电动汽车的车载电源市场很可能将占据主要市场份额。新型锂离子电池负极材料，需要满足大功率、高能量、高安全、低成本、环保的要求，因此硅基、锡基、铁基氧化物及过渡金属氧化物锂离子电池负极材料逐渐被研究者们重视了起来，有潜力成为未来锂离子电池负极材料的替代品。对于铁基材料来说，基于转换反应的材料由于在充放电过程中不可避免的体积膨胀大，导致电极材料容易粉化继而使电池的容量发生快速衰减，再加上本身的电导率很低，因此更加难以实际应用。因此，开发新型的高性能负极材料对于锂离子电池的发展和产业化具有重要意义。碱土金属铁酸盐，其作为锂离子电池负极活性材料，其制备方法和相关研究工作目前还鲜见报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种碱土金属铁酸盐电极活性材料的制备方法，其制备工艺简单、产量丰富、适合大规模生产的要求，所得的铁酸钙和铁酸镁材料作为锂离子电池负极活性材料时具有较高的比容量，优异的倍率性能和良好的循环性能，是一类潜在的商用锂离子电池负极活性材料。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：碱土金属铁酸盐材料的制备方法，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清透明溶液；2)按比例称取铁源和钙源或镁源；加入到步骤1)得到的溶液中，继续搅拌；3)将步骤2)中得到的溶液烘干，得红色玻璃状产物；4)将步骤3)得到的干燥产物进行烧结热处理，首先是低温热处理，然后高温热处理，最后自然冷却，取出即得CaFe2O4或MgFe2O4样品。按上述方案，步骤1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量为K90，质量为0.5-5克，N,N-二甲基甲酰胺的加入量为25毫升。按上述方案，步骤2)中所述的铁源，钙源，镁源分别为Fe(NO3)3，Ca(NO3)2和Mg(NO3)2。按上述方案，步骤2)反应体系中，所述的铁源与钙源或镁源的质量摩尔比例均为2:1。按上述方案，步骤3)中烘干时间为24h以上。按上述方案，步骤4)中采用的烧结气氛为空气气氛，升温速率为2～5℃/min，热处理温度为600～800℃，热处理时间为3～5h。所得的碱土金属铁酸盐材料，其为铁酸钙或铁酸镁的纳米颗粒堆积而成的块状材料，其块体直径大小为3～10μm，所述的铁酸钙或铁酸镁的纳米颗粒大小均为300～400nm，所述的铁酸钙分子式为CaFe2O4，所述的铁酸镁分子式为MgFe2O4。所述的碱土金属铁酸盐材料作为锂离子电池负极活性材料的应用。本专利技术的铁酸钙和铁酸镁作为锂离子电池负极材料时，在充放电过程中会生成非活性物质(CaO和MgO)，这些非活性物质，不参与电化学反应提供容量，但在反应过程中CaO和MgO会起到分散剂的作用，抑制Fe和氧化物颗粒的团聚，从而可以有效缓冲反应过程中的体积变化，提高电极材料的循环稳定性。碱土金属铁酸盐材料的形成机理：首先聚乙烯吡咯烷酮溶解到N,N-二甲基甲酰胺中，形成均匀的溶液，然后加入相应的铁盐和钙盐(或镁盐)，溶液中会以铁离子，钙离子(或镁离子)，硝酸根离子形式存在，然后通过干燥过程，低温热处理和高温热处理过程，硝酸根离子会消失，铁离子，钙离子(或镁离子)会结合在一块形成相应的双金属氧化物。本专利技术的有益效果是：采用溶胶凝胶法结合后期热处理制备出铁酸钙和铁酸镁电极活性材料，这些材料作为新型的锂离子电池负极活性材料，电化学性能优异，表现出较高的比容量，超好的循环稳定性和优异的倍率性能；本专利技术的工艺简单，原料成本低廉，合成过程绿色环保，产量丰富，适合于大规模生产。同时振实密度大，具有极大的商业化潜能。附图说明图1是实施例1的铁酸钙电极材料的X射线衍射光谱图(XRD)；图2是实施例1的铁酸钙电极材料的扫描电镜图(SEM)和能量色散X射线光谱元素分布图(EDS)；图3是实施例1的铁酸钙电极材料的透射电镜图(TEM)和所选区域的电子衍射花样图(SAED)；图4是实施例1的铁酸镁电极材料的XRD图和SEM图；图5是实施例1的铁酸钙电极材料在100mAg-1的电流密度下和0.01–3V电位区间内的电池循环性能图；图6是实施例1的铁酸钙电极材料在不同电流密度下和0.01–3V电位区间内的电池倍率性能图；图7是实施例1的铁酸钙电极材料在500mAg-1的电流密度下和0.01–3V电位区间内的电池长循环性能图；图8是实施例1的铁酸镁电极材料在100mAg-1的电流密度下和0.01–3V电位区间内的电池循环性能图；图9是实施例1的铁酸镁电极材料在500mAg-1的电流密度下和0.01–3V电位区间内的电池长循环性能图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：碱土金属铁酸盐电极材料制备包括有以下步骤：1)称取2.0gPVP加到25mlDMF中，用磁力搅拌器搅拌60分钟；2)称取4.0mmolCa(NO3)2(或Mg(NO3)2)和8.0mmolFe(NO3)3；3)将步骤2)中得到的药品加入到步骤1)得到的溶液中，用磁力搅拌器搅拌3个小时；4)将步骤3)中得到的溶液转移到80摄氏度的烘箱中干燥24h，自然冷却至室温后，取出得红色玻璃状产物；5)将步骤4)得到的干燥产物在空气氛围中250℃热处理1小时，升温速率为2℃/分钟，然后在空气氛围中800℃热处理5小时，升温速率为5℃/分钟，热处理后让样品自然冷却，取出即获得铁酸钙(或铁酸镁)样品。以本实施例的产物铁酸钙和铁酸镁材料为例，其结构由X-射线衍射仪和扫描电子显微镜确定。如图1所示，X-射线衍射图谱(XRD)表明产物铁酸钙的物相为CaFe2O4，产物的衍射峰与JCPDS编号:00-032-0168对照一致，无任何杂相存在。如图2所示，扫描电镜(SEM)图片表明，所得产物为多孔状，由纳米颗粒组成，平均直径大小为300～400nm。能量色散X射线光谱元素分布图显示，Ca、Fe、O三种元素在样品中分布均匀。如图3所示，透射电镜(TEM)图片进一步表明，大块是由纳米颗粒堆积而成，有明显的孔，选区电子衍射花样(SAED)图谱表明，产物为多晶物质。产物铁酸镁的物相和形貌如图4所示，XRD表明铁酸镁物相为MgFe2O4，产物的衍射峰与JCPDS编号：01-073-2410对照一致，无任何杂相存在。SEM表明铁酸镁也为颗粒状，尺寸在300～400nm。本实施例制备的铁酸钙和铁酸镁电极材料的电化学性能测试是通过组装半电池，采用扣式电池进行测试，对电极采用金属锂片。恒流充放电测试表明，铁酸钙在100mAg-1的电流密度下(如图5所示)，可逆比容量可达720mAhg-1，循环50圈后，容量基本没衰减。如图6所示，铁酸钙也体现出优异的倍率性能，电流密度可从0本文档来自技高网...

【技术保护点】
碱土金属铁酸盐材料的制备方法，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮加到N,N‑二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清透明溶液；2)按比例称取铁源和钙源或镁源；加入到步骤1)得到的溶液中，继续搅拌；3)将步骤2)中得到的溶液烘干，得红色玻璃状产物；4)将步骤3)得到的干燥产物进行烧结热处理，首先是低温热处理，然后高温热处理，最后自然冷却，取出即得CaFe2O4或MgFe2O4样品。

【技术特征摘要】
1.碱土金属铁酸盐材料的制备方法，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清透明溶液；2)按比例称取铁源和钙源或镁源；加入到步骤1)得到的溶液中，继续搅拌；3)将步骤2)中得到的溶液烘干，得红色玻璃状产物；4)将步骤3)得到的干燥产物进行烧结热处理，首先是低温热处理，然后高温热处理，最后自然冷却，取出即得CaFe2O4或MgFe2O4样品。2.按权利要求1所述的碱土金属铁酸盐材料的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量为K90，质量为0.5-5克，N,N-二甲基甲酰胺的加入量为25毫升。3.按权利要求1所述的碱土金属铁酸盐材料的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的铁源，钙源，镁源分别为Fe(NO3)3，Ca(NO3)2和Mg(NO3)2。4.按权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春华，张枭，麦立强，徐小明，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42