一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料及其制备方法，将碳材料和铁氧化物分别配制成分散液，混合后通过聚碳酸酯多孔膜，采用真空抽滤的方式制备成复合材料薄膜，再经高温热处理后即得；其中，所述碳材料为氧化石墨烯，所述铁氧化物为四氧化三铁。本发明专利技术将氧化石墨烯复合铁氧化物制备得到复合材料后，采用高温热还原去除氧化石墨烯表面的活性基团得到还原的氧化石墨烯，使复合材料组分更稳定；此外，采用通过聚碳酸酯多孔真空抽滤的方式制备还原的氧化石墨烯/铁氧化物复合材料薄膜，制备工艺简单经济、操作便捷、易于大规模生产。

A carbon/iron oxide composite flexible electrode material and its preparation method

The invention discloses a carbon/iron oxide composite flexible electrode material and its preparation method. The carbon material and iron oxide are separately prepared into dispersing solution, mixed and then prepared into composite film through polycarbonate porous membrane and vacuum filtration, and then obtained after high temperature heat treatment. The carbon material is graphene oxide, and the iron oxide is ferric oxide. \u3002 After the graphene oxide composite iron oxide is prepared into the composite material, the reduced graphene oxide is obtained by removing the active groups on the surface of graphene oxide by high temperature thermal reduction, so that the composite material composition is more stable; moreover, the reduced graphene oxide/iron oxide composite film is prepared by porous vacuum filtration of polycarbonate, and the preparation process is simple. It is economical, easy to operate and easy to produce on a large scale.

【技术实现步骤摘要】
一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料及其制备方法
本专利技术涉及电化学
，尤其涉及一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料及其制备方法。
技术介绍
铁氧化物(主要为Fe3O4和α-Fe2O3)具有高的容量、丰富的储量、好的安全性以及低的成本，然而，由于其自身导电性较差，用于电极材料时，在充放电过程中具有很大的体积变化，巨大的应力使得活性颗粒在循环过程中粉化，限制了其在锂离子电池中的应用。而石墨烯拥有高比表面积、优异的导电性能、优异的机械韧性和特殊的片层结构，将其与纳米四氧化三铁颗粒复合得到的复合材料中，石墨烯高比表面积可负载更多活性纳米四氧化三铁颗粒，同时，纳米四氧化三铁颗粒附着于石墨烯片层中，石墨烯既作为电子和离子的导电框架，又作为Fe3O4颗粒体积变化的缓冲层。因此，将两者复合，发挥各自的优势，可制备得到高容量、柔性、循环性能好的锂离子电池负极材料。目前，石墨烯和铁氧化物的复合采用CVD、静电纺丝(如专利108630921A)或者电泳沉积(如专利105420794B)。同时，这些方法中使用的石墨烯多为氧化石墨烯，或者采用了膨胀石墨在溶剂中超声分散的方式制备制备石墨烯。但在实际应用中发现采用CVD、静电纺丝(如专利108630921A)或者电泳沉积(如专利105420794B)制备复合材料，其制作工艺相对复杂，成本较高，不利于大规模生产；采用氧化石墨烯作为原料，由于其表面存在大量氧基团和羟基，因此反应活性较高，易与外界物质反应使材料变质；以及采用石墨超声分散的方式，制备的石墨烯层数较多且各层结合紧密，不利于纳米铁氧化物颗粒嵌入。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中的上述问题，提出一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的第一个方面是提供一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，将碳材料和铁氧化物分别配制成分散液，混合后通过聚碳酸酯多孔膜，采用真空抽滤的方式制备成复合材料薄膜，再经高温热处理后即得。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法中，所述碳材料为氧化石墨烯，所述铁氧化物为纳米四氧化三铁。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法中，所述纳米四氧化三铁与氧化石墨烯的质量比为0.2-1.2:1。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法中，具体包括如下步骤：(1)配制氧化石墨烯分散液；(2)配制纳米四氧化三铁散液；(3)将配制好的一定浓度氧化石墨烯分散液、纳米四氧化三铁分散液混合均匀后，通过聚碳酸酯多孔膜利用真空抽滤的方式，将铁氧化物和石墨烯复合得复合材料薄膜，复合材料薄膜中四氧化三铁与氧化石墨烯的质量比为0.5-2:1；(4)将真空抽滤后制得的复合材料薄膜在氮气气氛保护下，放置于烘箱中550-700℃热处理1-3h，即得。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，步骤(1)中所述氧化石墨烯分散液的制备方法如下：在干燥烧瓶中加入30mL浓硫酸并加入石墨粉0.2-0.3g，将烧瓶置于冰水浴中，之后向烧瓶中缓慢加入高锰酸钾固体3.5-4g，控制混合液温度在25-35℃，混合后将烧瓶置于35℃水浴中加热2h；混合液稀释于60mL去离子水中，并依次加入双氧水5-10mL和盐酸10-15mL，之后溶液静置1-3天沉淀；取沉淀超声分散于去离子水中，利用离心机进行离心处理，离心后去除上清液，将固体溶于稀盐酸中，继续进行离心处理，重复上述步骤3-5次后，将沉淀置于烘箱中烘干；干燥后固体超声分散于去离子水中，配制成浓度为0.2mg/mL的分散液。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，步骤(2)中所述纳米四氧化三铁散液的制备方法为：称取1-2gFeCl3·6H2O溶解到40-60mL水中并60℃水浴加热，取0.4-0.5gFeCl2·4H2O加入溶液并搅拌，之后快速加入1-2mL28％氨水，混合液在80℃水浴加热1h；加热完成后，用磁铁在溶液一角吸引溶液中的Fe3O4颗粒，待大部分黑色颗粒聚集到磁铁附近时，将上层的清液转移，利用去离子水清洗沉淀颗粒；将清洗后的Fe3O4与0.6-0.8g对磺基苯甲酸钾于80-100mL去离子水中超声分散均匀，混合液经去离子水洗涤后滤去水分，将沉积固体超声分散于一定量的去离子水中，配制成浓度为0.1mg/mL的纳米Fe3O4分散液。进一步地，所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，步骤(4)中所述烘箱温度为550-700℃，热处理时间为2h。本专利技术的第二个方面是提供一种所述方法制备的碳/铁氧化物复合柔性电极材料。本专利技术采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：(1)制备得到的复合材料中，纳米四氧化三铁颗粒附着于石墨烯片层中，石墨烯片层作为纳米四氧化三铁颗粒体积膨胀的缓冲层，改善四氧化三铁的循环性能；(2)石墨烯作为主体框架，其优异的机械韧性，使得复合材料具有柔性自支撑的特性，可直接作为柔性电池的负极材料使用；(3)采用通过聚碳酸酯多孔真空抽滤的方式制备还原的氧化石墨烯/铁氧化物复合材料薄膜，制备工艺简单经济、操作便捷、易于大规模生产；(4)复合材料抽滤成膜后，进行了高温热还原，有效减少氧化石墨烯表面的活性基团得到还原的氧化石墨烯，使得复合材料性质更稳定。说明书附图图1为氧化石墨烯截面SEM图；图2为石墨烯/四氧化三铁复合材料截面SEM图；图3为Fe3O4和Fe3O4/rGO复合材料在100mAg-1下的循环性能曲线图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本专利技术，但是下述实施例并不限制本专利技术范围。实施例1分别配制浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯分散液和浓度为0.1mg/mL的纳米四氧化三铁分散液，分别量取一定体积的两种分散液，使四氧化三铁分散液和氧化石墨烯分散液的体积比为2:1，混合液磁力搅拌20min后，通过聚碳酸酯多孔膜进行真空抽滤，在聚碳酸酯多孔膜上自组装成氧化石墨烯/纳米四氧化三铁复合薄膜。制备成的薄膜在氮气气氛中600℃热处理2h后，得到碳/铁氧化物复合柔性电极材料，再以锂片为对电极组装成2025纽扣电池。测试结果表明，电池经过50次循环，容量依然能保持在681.2mAh*g-1。实施例2分别配制浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯分散液和浓度为0.1mg/mL的纳米四氧化三铁分散液，分别量取一定体积的两种分散液，使四氧化三铁分散液和氧化石墨烯分散液的体积比为1:1，混合液磁力搅拌20min后，通过聚碳酸酯多孔膜进行真空抽滤，在聚碳酸酯多孔膜上自组装成氧化石墨烯/纳米四氧化三铁复合薄膜。制备成的薄膜在氮气气氛中600℃热处理2h后，得到碳/铁氧化物复合柔性电极材料，再以锂片为对电极组装成2025纽扣电池。测试结果表明，电池经过50次循环，容量依然能保持在324.1mAh*g-1。实施例3分别配制浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯分散液和浓度为0.1mg/mL的纳米四氧化三铁分散液，分别量取一定体积的两种分散液，使四氧化三铁分散液和氧化石墨烯分散液的体积比为4:1，混合液磁力搅拌20min后，通过聚碳酸酯多孔膜进行真空抽滤，在聚碳酸酯多孔膜上自组装成氧化石墨烯/纳米四氧化三铁复合薄膜。制备成的薄膜在氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，将碳材料和铁氧化物分别配制成分散液，混合后通过聚碳酸酯多孔膜，采用真空抽滤的方式制备成复合材料薄膜，再经高温热处理后即得。

【技术特征摘要】
1.一种碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，将碳材料和铁氧化物分别配制成分散液，混合后通过聚碳酸酯多孔膜，采用真空抽滤的方式制备成复合材料薄膜，再经高温热处理后即得。2.根据权利要求1所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料为氧化石墨烯，所述铁氧化物为纳米四氧化三铁。3.根据权利要求2所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米四氧化三铁与氧化石墨烯的质量比为0.2-1.2:1。4.根据权利要求1所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配制氧化石墨烯分散液；(2)配制纳米四氧化三铁散液；(3)将配制好的一定浓度氧化石墨烯分散液、纳米四氧化三铁分散液混合均匀后，通过聚碳酸酯多孔膜，利用真空抽滤的方式，将铁氧化物和石墨烯复合得复合材料薄膜，复合材料薄膜中纳米四氧化三铁与氧化石墨烯的质量比为0.5-2:1；(4)将真空抽滤后制得的复合材料薄膜在氮气气氛保护下，放置于烘箱中550-700℃热处理1-3h，即得。5.根据权利要求4所述的碳/铁氧化物复合柔性电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化石墨烯分散液的制备方法如下：在干燥烧瓶中加入30mL浓硫酸并加入石墨粉0.2-0.3g，将烧瓶置于冰水浴中，之后向烧瓶中缓慢加入高锰酸钾固体3.5-4g，控制混合液温度在25-35℃，混合后将烧瓶置于35℃水浴...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹吟桥，刘佳丽，周兰，闫海，李旺，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31