一种纳米氟化铁的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米氟化铁的制备方法。由碳钢作为阳极、石墨作为阴极，电解氟化铵‑氢氟酸的水溶液制备(NH

【技术实现步骤摘要】
一种纳米氟化铁的制备方法
本专利技术涉及一种纳米氟化铁材料的制备方法，该材料可用于锂离子二次电池正极材料等，属于新材料制备
技术背景随着互联网及其他电子科学技术的发展，人们对于便携式能源的需求越来越大，对能量储存的要求越来越高，大大促进了储能材料的发展。自Sony公司于1990年推出商业化锂离子电池后，锂离子电池以迅猛的速度发展为市场占有率最大的储能装置，其具有的高能量密度、高开路电压、长循环寿命、无记忆效应和环境友好等优点，在手机、电脑等便携式设备领域占据绝对领导地位，近几年来在电动自行车、电动汽车等领域发展迅速，对锂电池性能要求电池性能的提升主要依赖于先进的电极材料的开发和应用，其中对于电池整体性能的影响最为重要的当是正极材料的选用。传统的电极材料例如LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4等，在实际使用中其比容量在120～160mAh/g范围内，这是由于充放电过程中仅有1mol的Li+发生嵌入/脱出反应。FeF3拥有比传统正极材料更加优良的电化学性能。它既可进行Li+的嵌入/脱出过程，又可通过可逆化学反应来储能；此外FeF3具有较小的相对分子质量，因此其理论比容量较大，并且通过转化反应还可存储2molLi+，进一步增加了其比容量；其次，较强Fe-F离子键使其具有较高的电化学电势，故FeF3具有较高的理论比能量密度。氟化铁还具有资源丰富、成本低廉、环境友好、热稳定性好等优点，故被认为是极具研究价值和应用前景的新一代锂离子电池正极材料。现今相关报道氟化铁作为正极材料的文献中氟化铁材料的合成几乎都采用液相法合成，即通过添加铁源和氟源在溶剂中反应生成氟化铁水合物，然后在惰性气氛下热处理得到。主要的液相法合成按溶剂的不同可分为水溶液、乙醇溶液、离子液等。如LiLiu按反应方程式计量比称取FeCl3和NaOH溶于蒸馏水中，获得Fe(OH)3沉淀，将其放置于密封的聚四氟乙烯器皿中，加入过量的40％氢氟酸溶液，在80℃下连续搅拌溶液，保持12小时，获得沉淀为FeF3·3H2O前体，最后在通有氩气的管式炉中，在400℃下热处理2小时，获得FeF3化合物。此类方法存在制备工艺条件复杂苛刻、环境污染大、耗时长、产品形貌不可控、电化学性能差等缺陷。因此，通过简单的方法高效的合成形貌均匀、粒度小的氟化铁材料对于锂离子电池的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有工艺的缺陷，利用电解技术提供一种简单可控的纳米氟化铁的制备方法。本专利技术是通过以下技术步骤实现的：一种纳米氟化铁的制备方法，其特征在于：由碳钢作为阳极，石墨为阴极材料，利用电解NH4F-HF的水溶液制备(NH4)3FeF6前驱体，再通过进一步热分解制备纳米尺度的氟化铁颗粒。其具体步骤如下：(1)配置NH4F-HF电解液，超声分散得到透明液体；(2)以碳钢作为阳极材料，碳钢通常有Q235、Q345、10#、20#、45#，利用机械打磨、酸洗、蒸馏水清洗除去阳极材料表面铁锈、污渍，获得干净平整的阳极材料；(3)连接电路，将阴、阳电极材料连接好后浸入NH4F-HF水溶液的电解液中，打开直流电源进行电解反应；(4)对电解后产生的(NH4)3FeF6白色沉淀进行过滤、洗涤、烘干得到(NH4)3FeF6白色粉末；(5)将(NH4)3FeF6白色粉末煅烧即得到纳米FeF3材料。优选上述的酸洗液配方为：HCl20～40g/L，酸洗时间20～30s。优选上述的电解液中NH4F的浓度为0.9～2.7mol/L，NH4F与HF物质的量的比为1:(1～3)。优选上述电解反应的参数为：电流密度为2.5～12.5A/dm2，电解温度为10～50℃，电解时间为0.8～4h，搅拌速度为300～400r/min。优选上述的将过滤后的白色沉淀利用无水乙醇清洗，在60～80℃下鼓风烘干12～24h，得到(NH4)3FeF6白色粉末。优选上述的煅烧温度为350～400℃，惰性气氛下保温1～3h得到纳米FeF3材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用电解的方法制备了(NH4)3FeF6前驱体，可以通过调控电解参数来获得不同粒径大小的前驱体材料，进而控制纳米FeF3粒子簇的大小；本专利技术备工艺简单，耗时短，同时电解时能量利用率高，从而达到降低能耗、节约成本的目的；另外，所制备的电极在锂离子电池中具有优异的电化学性能。附图说明图1为实施例1制备的(NH4)3FeF6的SEM图；图2为实施例1制备的(NH4)3FeF6的XRD图；图3为实施例1制备的FeF3的SEM图；图4为实施例1制备的FeF3的XRD图；图5为实施例1制备的电极的充放电曲线。具体实施方式本专利技术是通过以下技术步骤实现的：实施例1配置300ml电解液，其中NH4F浓度为1.35mol/L，按摩尔比1:2加入40wt％的HF。取Q235碳钢片，经过打磨、酸洗30s(HCl20g/L)、蒸馏水清洗除去表面铁锈、污渍后作为阳极材料，石墨电极作为阴极材料，电流密度为5A/dm2，电解温度为20℃，电解2h，搅拌速度为400r/min。过滤出白色沉淀，使用无水乙醇清洗，在80℃下鼓风干燥12h后获得(NH4)3FeF6白色粉末前驱体。将前驱体粉末加热至350℃，高纯氩气气氛下保温2h，得到纳米FeF3材料。如图1所示，本实施例制备的(NH4)3FeF6颗粒大小均匀，为微米级的无定型颗粒，中值粒径为40.1μm，分散性好，无团聚现象。如图2所示，本实施例制备的(NH4)3FeF6X射线衍射谱图显示为高结晶度的单相物质。如图3所示，本实施例煅烧获得的FeF3是在前驱体结构上进行分解形成了尺寸为80nm左右的小颗粒，小颗粒之间接触紧密，在增加比表面积的同时保证材料的导电性，说明改变电解参数可以控制最终获得的FeF3的聚集态。如图4所示，本实施例制备的FeF3的XRD图谱显示具有较强的衍射峰，在2θ＝26.8°位置出现FeF2的衍射峰，这是由于FeF3进一步分解失去一个F-所形成的，可通过增大保护气流速，改善管式炉气密性降低此副反应。如图5所示，本实施例制备的纳米FeF3材料作为正极材料组装锂离子扣式电池，在电压窗口2.0至4.2V，恒定电流密度在20mAg-1的放电/充电曲线，FeF3首次放电比容量为188mAh/g(理论为237mAh/g)。实施例2配置300ml电解液，其中NH4F浓度为2.7mol/L，按摩尔比1:1加入40wt％的HF。取Q235碳钢片，经过打磨、酸洗20s(HCl40g/L)、蒸馏水清洗除去表面铁锈、污渍后作为阳极材料，石墨电极作为阴极材料，电流密度为12.5A/dm2，电解温度为50℃，电解0.8h，搅拌速度400r/min。过滤出白色沉淀，使用无水乙醇清洗，在80℃下鼓风干燥12h后获得(NH4)3FeF6白色粉末前驱体，其中值粒径为81.6μm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米氟化铁的制备方法，其特征在于：由碳钢作为阳极，石墨为阴极材料，利用电解NH

【技术特征摘要】
1.一种纳米氟化铁的制备方法，其特征在于：由碳钢作为阳极，石墨为阴极材料，利用电解NH4F-HF的水溶液制备(NH4)3FeF6前驱体，再通过进一步热分解制备纳米尺度的氟化铁颗粒。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于其具体步骤如下：
(1)配置NH4F-HF电解液，超声分散得到透明液体；
(2)以碳钢作为阳极材料，打磨、酸洗、清洗，获得干净平整的阳极材料；
(3)连接电路，将阴、阳电极材料连接好后浸入NH4F-HF水溶液的电解液中，打开直流电源进行电解反应；
(4)对电解后产生的(NH4)3FeF6白色沉淀进行过滤、洗涤、烘干得到(NH4)3FeF6白色粉末；
(5)将(NH4)3FeF6白色粉末煅烧即得到纳米FeF3材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱承飞，石晋，吴俊，鄢慧泉，郑锃锃，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32