一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备制造技术

本发明专利技术公开了一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，该复合材料由四氧化三铁纳米颗粒和直径大约为5～10nm的有序碳纳米管组成。本发明专利技术所制备的材料用于锂离子电池负极时，具有优异的长循环稳定性和倍率性能：在200mA g

A Ferro-based Oxide/Ordered Carbon Tube Lithium Ion Battery Anode Material and Its Preparation

【技术实现步骤摘要】
一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备
本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，具体涉及一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备。
技术介绍
锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、体积可控等优势而迅速占据了手机、笔记本电脑、数码相机等小型移动设备市场，并且逐步向无人机、电动汽车、智能电网等大型储能领域发展和应用。负极材料是锂离子电池极其重要的组成部分，在充放电循环过程中实现锂离子的嵌入和脱出，很大程度上决定了整个电池的能量密度，是锂离子电池成功应用的关键。目前，石墨化碳材料是常用的商业化锂离子电池负极材料，其理论比容量仅为372mAhg-1，难以满足大型储能领域对化学电源高容量、大电流放电能力等特征的需求。铁基氧化物四氧化三铁因其理论比容量高(～930mAhg-1)、储量丰富、性价比高、环境友好等优点而被广泛关注，但在充放电循环过程中体积膨胀率大，电极材料容易发生粉化而脱离集流体，导致容量迅速衰退，从而降低电池的循环寿命。同时，四氧化三铁的导电性也较差，极大地影响了其充放电倍率性能。针对上述问题，研究人员提出了很多的解决办法，如制备纳米结构、形成复合物、表面处理等。目前，在四氧化三铁中加入碳材料形成复合物是一种常用且能够有效改善其电化学性能的方法。一方面，碳材料能够一定程度上缓冲充放电过程中的体积膨胀；另一方面，碳材料能够极大地提高四氧化三铁的导电性，从而提高其倍率性能。然而，目前很多做法是将四氧化三铁和碳材料进行简单的复合，虽然一定程度上能够起到上述的改善作用，但颗粒在长时间的充放电循环过程中容易脱离碳基体而聚集长大，导致其改善作用减弱，电池寿命降低。因此，探索一种如何利用碳材料高效地改善四氧化三铁电化学性能的新技术迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的不足，制备一种有序排列的四氧化三铁/有序碳纳米管复合材料，四氧化三铁纳米颗粒限域于有序碳纳米管中，不仅能够有极大地提高四氧化三铁的电导率，为电解液中离子的运输提供扩散通道，而且还能够抑制纳米颗粒的聚集和长大，缓冲充放电过程中的体膨胀效应，从而显著改善四氧化三铁的电化学性能。本专利技术通过以下技术方案实现：一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，其特征在于，该复合材料体系的制备包括以下步骤：(1)首先称取一定量孔径为5～10nm的有序碳纳米管加入烧杯中，然后缓慢滴入三氯化铁溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液在常温下进行磁力搅拌处理；(3)将步骤(2)中磁力搅拌处理后的混合溶液加热保温，然后在该温度下将溶液蒸干得到固体样品；(4)将步骤(3)中得到的固体样品用去离子水清洗3次，然后在100℃进行真空干燥处理；(5)将步骤(4)中干燥得到的样品在氩气气氛下进行煅烧处理，得到锂离子电池用四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的三氯化铁溶液浓度优选为0.2mol/L，两者的摩尔比优选为10:1～40:1。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的搅拌时间优选为2～12h。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的加热温度优选为80～200℃，保温时间优选为4～12h。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的真空干燥处理时间优选为10～20h。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的煅烧温度优选为400～800℃，煅烧时间优选为4～10h，加热速度优选为5℃/min。进一步的，一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，所述的四氧化三铁/有序碳纳米管复合材料应用于制备锂离子电池负极材料，制成的锂离子电池可应用于手机、笔记本电脑、移动电源等便携式移动设备，也可用于无人机、电动汽车、智能电网等大型
综上所述，本专利技术的以下有益效果：1、本专利技术一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，四氧化三铁/有序碳纳米管复合材料中，有序碳纳米管形成网络能够为活性物质的传输提供扩散通道，加快材料和电解液之间的化学反应；为电子的导通提供转移通道，降低内阻；限制充放电过程中四氧化三铁纳米颗粒的聚集和长大，缓冲体积效应。2、本专利技术一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，与一般的四氧化三铁基复合材料相比，四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料的比容量更高，循环寿命更长：在200mAg-1的电流下，其容量可以达到925mAhg-1；在2Ag-1的电流下，1000次循环后其容量仍然可以达到800mAhg-1左右，在10Ag-1的电流下，16000次循环后其容量仍然可以维持在400mAhg-1左右。3、本专利技术一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料能够满足电子设备对高容量、长寿命、大电流放电等能力的需求，应用范围更为广阔。4、本专利技术一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，相对于其他碳材料包覆的四氧化三铁复合材料，本专利技术的制备方法简单、成本低、产量大，更有利于工业应用。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1是实施例1-6中四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料及其电化学反应过程中锂离子嵌入和脱出过程的示意图。图2是实施例2所制得产物的XRD图谱和拉曼光谱。图3是实施例4所制得产物的(a)扫描电镜图和(b)透射电镜图。图4是实施例4所制得产物在不同电流下的倍率性能图。图5是实施例5所制得四氧化三铁/有序碳纳米管锂离子电池负极材料的循环性能曲线图。图6是实施例6所制得四氧化三铁/有序碳纳米管锂离子电池负极材料的循环性能曲线图。图7是实施例8所制得四氧化三铁/有序碳纳米管锂离子电池负极电极片的扫描电镜图：(a)制备时和(b)7000次循环后。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。实施例1称取27.03g六水三氯化铁溶解于500ml乙二醇中，搅拌均匀形成浓度为0.2mol/L的三氯化铁溶液。称取0.1g有序碳纳米管加入烧杯中，缓慢滴入配置好的三氯化铁溶液，两者的摩尔比控制为10:1，在常温下将该混合溶液磁力搅拌2h。将得到的混合溶液在磁力搅拌状态下加热至100℃，保温4h，然后在该温度下将溶液蒸干得到固体样品。将此样品用去离子水清洗3次，然后在100℃下进行真空干燥处理10h。得到的样品转移至管式炉中，在惰性气氛氩气的保护下升温至400℃进行煅烧处理，加热速度为5℃/min，保温10h，待其自然冷却后得到四氧化三铁/有序碳纳米管复合材料。将80wt.％的四氧化三铁/有序碳纳米管复合材料，10wt.％的乙炔黑和10wt.％的聚偏二氟乙稀(PVDF)混合均匀，溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，80℃真空烘干后冲压成圆片，制得工作电极。以金属锂圆片为对电极，1MLiPF6的EC/DEC(1:2)溶液为电解液，聚丙稀微孔膜(Celgard2400)为隔膜，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，其特征在于，该复合材料体系的制备包括以下步骤：(1)首先称取一定量孔径为5～10nm的有序碳纳米管加入烧杯中，然后缓慢滴入三氯化铁溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液在常温下进行磁力搅拌处理；(3)将步骤(2)中磁力搅拌处理后的混合溶液加热保温，然后在该温度下将溶液蒸干得到固体样品；(4)将步骤(3)中得到的固体样品用去离子水清洗3次，然后在100℃进行真空干燥处理；(5)将步骤(4)中干燥得到的样品在氩气气氛下进行煅烧处理，得到锂离子电池用四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，其特征在于，该复合材料体系的制备包括以下步骤：(1)首先称取一定量孔径为5～10nm的有序碳纳米管加入烧杯中，然后缓慢滴入三氯化铁溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液在常温下进行磁力搅拌处理；(3)将步骤(2)中磁力搅拌处理后的混合溶液加热保温，然后在该温度下将溶液蒸干得到固体样品；(4)将步骤(3)中得到的固体样品用去离子水清洗3次，然后在100℃进行真空干燥处理；(5)将步骤(4)中干燥得到的样品在氩气气氛下进行煅烧处理，得到锂离子电池用四氧化三铁/有序碳纳米管负极材料。2.根据权利要求1所述的一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，其特征在于，所述步骤(1)中的三氯化铁溶液浓度优选为0.2mol/L，两者的摩尔比优选为10:1～40:1。3.根据权利要求1所述的一种铁基氧化物/有序碳管锂离子电池负极材料及制备，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志杰，马晓波，董雯浩，王海龙，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：宁夏,64