一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法，该方法首先将氧化石墨烯分散于去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；然后将一定量的可溶性铁盐和尿素完全溶解于该氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液；再将混合溶液置于100～170℃温度下微波水热反应30～60min，得到氧化铁/石墨烯水凝胶，对该氧化铁/石墨烯水凝胶进行洗涤，冷冻干燥处理，得到氧化铁/石墨烯气凝胶初品；最后在惰性气体保护下，对氧化铁/石墨烯气凝胶初品进行退火处理，即可得到氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料。本发明专利技术的制备过程无需高温、高能耗，对环境友好；所制备的氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的库伦效率保持在98％以上，展现出该优异的循环稳定性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池是目前新能源界发展的主题，它的能量密度高，循环寿命长，充放电过程中不产生污染，是一种优秀的储能器件。随着目前锂离子电池在电动汽车上的广泛应用，追求越来越高的能量密度，是锂离子电池目前研究的重要方面。现有的锂离子电池，负极材料一般采用石墨，而石墨的理论容量仅为350mAhg-1，低的容量影响了锂离子电池整体的能量密度。过渡金属氧化物是一类具有高理论容量的负极材料，如氧化铁(Fe2O3)的理论容量可以达到1008mAhg-1，是石墨的三倍左右，并且铁元素储量丰富，易开采提纯，是一种具有较好的前景的锂离子电池负极材料。但是氧化铁的导电性较差，且在充放电过程中会产生较大的体积膨胀，进而导致电极材料结构破坏，在集流体上粉化剥落等问题，使得电池的寿命缩短，稳定性和倍率性能降低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于，提供一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法，该复合负极材料具有很好的倍率性能和稳定性，且其制备过程无需高温、高能耗，成本低，无污染，对环境友好。为了解决上述技术问题，本专利技术的第一方面提供一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，该方法包括：S1：将氧化石墨烯分散于去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；S2：将一定量的可溶性铁盐和尿素完全溶解于所述氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液；S3：将所述混合溶液置于100～170℃温度下微波水热反应30～60min，得到氧化铁/石墨烯水凝胶；S4：对所述氧化铁/石墨烯水凝胶进行洗涤，冷冻干燥处理，得到氧化铁/石墨烯气凝胶初品；S5：在惰性气体保护下，对所述氧化铁/石墨烯气凝胶初品进行退火处理，得到所述氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料。进一步地，在步骤S1之前，所述方法还包括所述氧化石墨烯的制备，所述氧化石墨烯的制备方法为Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法中的任意一种。进一步地，步骤S2中，所述可溶性铁盐为FeNH4(SO4)2·12H2O、FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3中的任意一种。进一步地，步骤S2中，所述混合溶液中的可溶性铁盐与尿素的摩尔比为(1:2)～(1:20)。进一步地，步骤S2中，所述混合溶液中的可溶性铁盐与氧化石墨烯的摩尔比为(1:1)～(1:4)。进一步地，步骤S5中，所述退火处理的温度为350～500℃，退火处理的时间为30～120min。进一步地，步骤S1中，采用超声分散所述氧化石墨烯于去离子水中，超声时间为30～60min。进一步地，步骤S4中，所述冷冻干燥处理的温度为-70～-50℃，压力为5～15Pa。本专利技术的第二方面还提供一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料，该氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料为采用本专利技术第一方面提供的任意一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法制备得到。本专利技术的一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法，具有如下有益效果：本专利技术的制备方法采用微波辅助水热合成技术可极大的缩短反应时间，降低反应温度，有利于提高生产效率；并且反应原料均无毒性，对环境友好。另外，本专利技术制备的负极材料中的氧化铁纳米颗粒具有更均一的颗粒尺寸，石墨烯气凝胶作为复合材料的基底可以有效提高负极材料整体的导电性和柔性，进而提高负极材料的电导率，且石墨烯气凝胶可以吸收氧化铁颗粒在充放电过程中发生的体积膨胀，避免了电极材料结构被破坏，延长了电池的寿命和稳定性。另外，石墨烯气凝胶高度交联的3D自支撑结构具有极大的孔隙率，能够减少迂曲度，提升材料的倍率性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例提供的氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法的流程图；图2是本专利技术实施例1中制备的氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的XRD衍射照片；图3是本专利技术实施例1制备的氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的充放电循环性能曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本实施例提供一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：S1：通过Hummers法制备氧化石墨烯，然后称取0.12g制备的氧化石墨烯并超声分散于60ml去离子水中，超声时间为30～60min，得到氧化石墨烯分散液。该步骤可以形成均一分散的氧化石墨烯分散液，有利于后续液相反应的均匀性。S2：称取1.62gFeCl3·6H2O和1.2g尿素，溶于上述氧化石墨烯分散液中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到混合溶液。S3：将上述得到的混合溶液转移至微波水热反应釜中混合，并将该微波水热反应釜置于具有磁力搅拌器的微波合成仪中加热至120℃，在该温度下保温40min后冷却至室温，即可得到Fe2O3/氧化石墨烯水凝胶。该步骤中，利用尿素中-NH2和氧化石墨烯表面含氧官能团之间的氢键作用使得氧化石墨烯的片层发生扭曲交变，形成三维网络结构。同时，Fe3+和尿素水解出的OH-形成FeOOH，在反应温度下进一步形成α-Fe2O3，利用微波对极性物质快速均匀升温的特性辅助水热，减短反应时间，并让氧化铁附着在石墨烯表明成核生长，进而形成Fe2O3/氧化石墨烯水凝胶复合材料。S4：将上述制得的Fe2O3/氧化石墨烯水凝胶用去离子水洗涤数次后放入冷冻干燥机中低温干燥，去除水分后形成Fe2O3/氧化石墨烯气凝胶初品。其中，冷冻干燥机中低温干燥的温度为-58℃，压力为5Pa。真空低温下在保持材料原有结构形貌的同时除去材料中水分，形成了气凝胶材料。S5：将上述制得的Fe2O3/氧化石墨烯气凝胶初品放入管式炉中，在氮气保护下于400℃温度下退火处理60min，即可得到Fe2O3/氧化石墨烯气凝胶复合负极材料。该步骤中的退火处理可以除去石墨烯表面部分氧化官能团，减少后期作为锂离子电池负极材料时的首圈不可逆容量。所得到的Fe2O3/氧化石墨烯气凝胶复合负极材料中α-Fe2O3纳米颗粒附着在石墨烯气凝胶3D网络结构上。如图2所示为Fe2O3/氧化石墨烯气凝胶复合负极材料的XRD衍射照片，从图中可以看出本实施例制备的材料中存在氧化铁，且在2θ＝22°附近有一个相对宽泛的衍射峰对应于石墨烯气凝胶的无序结构。实施例2本实施例提供一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：S1：通过Hummers法制备氧化石墨烯，然后按照FeNH4(SO4)2·12H2O与氧化石墨烯的摩尔比为1:3，分别称取FeNH4(SO4)2·12H2O和氧化石墨烯。将上述称取的氧化石墨烯超声分散于60ml去离子水中，超声时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1：将氧化石墨烯分散于去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；S2：将一定量的可溶性铁盐和尿素完全溶解于所述氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液；S3：将所述混合溶液置于100～170℃温度下微波水热反应30～60min，得到氧化铁/石墨烯水凝胶；S4：对所述氧化铁/石墨烯水凝胶进行洗涤，冷冻干燥处理，得到氧化铁/石墨烯气凝胶初品；S5：在惰性气体保护下，对所述氧化铁/石墨烯气凝胶初品进行退火处理，得到所述氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1：将氧化石墨烯分散于去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；S2：将一定量的可溶性铁盐和尿素完全溶解于所述氧化石墨烯分散液中，得到混合溶液；S3：将所述混合溶液置于100～170℃温度下微波水热反应30～60min，得到氧化铁/石墨烯水凝胶；S4：对所述氧化铁/石墨烯水凝胶进行洗涤，冷冻干燥处理，得到氧化铁/石墨烯气凝胶初品；S5：在惰性气体保护下，对所述氧化铁/石墨烯气凝胶初品进行退火处理，得到所述氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料。2.根据权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述方法还包括所述氧化石墨烯的制备，所述氧化石墨烯的制备方法为Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种氧化铁/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述可溶性铁盐为FeNH4(SO4)2·12H2O、FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3中的任意一种。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓怡晨，
申请(专利权)人：浙江衡远新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33