一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用；所述方法包括以下步骤：步骤(1)，水热法制备氧化铁，将其在玛瑙研钵中研磨30min，得到平均粒径为50nm的氧化铁颗粒；步骤(2)，将氧化铁颗粒与燃烧剂三聚氰胺混合均匀后，置于马弗炉煅烧，得到含有氧空位的氧化铁材料。本发明专利技术方法利用三聚氰胺高温加热时产生氮气和二氧化碳形成低氧环境，使氧化铁的晶格氧流失形成氧空位，氧空位的存在增加锂嵌入和脱出的活性位点，增加了活性物质的导电性，改善了氧化铁材料作为电池负极时的倍率性能和循环性能。能和循环性能。能和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料制备领域；尤其涉及一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因具备高比容量，良好的循环性能，高的工作电压，广泛应用在新能源汽车和智能电子产品中。石墨作为目前商业化使用的负极材料具有成本低、稳定性好和循环寿命长的优点，但其理论比容量仅有372mAh/g，当电池以大倍率充放电时，石墨电极会产生锂枝晶破坏电池的内部结构，限制其在大功率电子设备上的应用。
[0003]氧化铁在自然界中储量丰富，价格便宜，其理论比容量可达1007mAh/g，在储能领域中的应用市场潜力巨大。但是在循环过程中，随着锂的嵌入和脱出，氧化铁颗粒伴有巨大的体积膨胀和收缩，产生的内部应力会使活性材料粉碎和脱落，造成不可逆的容量损失，表现出比较差长循环性能；另外氧化铁材料的低导电率使得电池动力学反应缓慢，主要表现为倍率性能差。因此氧化铁作为电池负极材料要解决的两大问题是：(1)是体积变化大的问题；(2)是材料本身的低电导率。氧空位是氧化铁材料自身的一种施主缺陷，一个氧空位的产生会产生两个电子，这将增加载流子浓度，从而提升材料的导电性。产生空位的同时在其表面生成一层非晶氧化铁，非晶壳层有利于离子扩散并为颗粒膨胀提供了缓冲空间，因而氧空位的存在可以改善材料的电化学性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供了一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤(1)，水热法制备氧化铁，将其在玛瑙研钵中研磨30min，得到平均粒径为50nm的氧化铁颗粒；
[0008]步骤(2)，将氧化铁颗粒与燃烧剂三聚氰胺混合均匀后，置于马弗炉煅烧，得到含有氧空位的氧化铁材料。
[0009]优选地，步骤(1)中，所述水热法制备氧化铁的具体步骤为：称取1.620g六水合氯化铁溶于80ml去离子水中，待六水合氯化铁完全溶解后，再称取1.512g碳酸氢钠倒入溶液中，搅拌30min后得混合溶液；将混合溶液倒入两只50ml的PPL内衬中，再将内衬放于封闭的反应釜中，将反应釜至于150℃烘箱中保温6h，烘箱升温速率为2℃/min，冷却到室温后，将产物取出，用水和乙醇进行洗涤，离心、烘干。
[0010]优选地，所述洗涤的次数至少为3次，离心的转速为8000r/min，烘干的温度为70℃，烘干时间为12h。
[0011]优选地，步骤(2)中，所述氧化铁颗粒与所述三聚氰胺的质量比为1：(1
‑
8)，氧化铁颗粒的质量固定为0.1g。
[0012]优选地，步骤(2)中，所述氧化铁和三聚氰胺混合物的容器为50ml的半封闭式氧化铝坩埚。
[0013]优选地，步骤(2)中，所述马弗炉煅烧的条件为：以2.5℃/min的升温速率升温到550℃，在550℃条件下，保温4h后随炉冷却至室温。
[0014]本专利技术还涉及前述的一种含有氧空位的氧化铁材料的应用，所述含有氧空位的氧化铁材料作为电池的负极材料时，氧空位的产生增加锂嵌入和脱出的活性位点，从而增加了活性物质的导电性，最终实现提高其倍率性能和循环性能的目的。
[0015]本专利技术具有以下优点：
[0016]本专利技术方法利用三聚氰胺高温加热时产生氮气和二氧化碳形成低氧环境，使氧化铁的晶格氧流失形成氧空位，氧空位的存在增加锂嵌入和脱出的活性位点，增加了活性物质的导电性，改善了氧化铁材料作为电池负极时的倍率性能和循环性能。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例和对比例的X射线衍射图；
[0018]图2是本专利技术实施例的透射电镜图；
[0019]图3是本专利技术实施例和对比例的倍率性能图；
[0020]图4是本专利技术实施例的循环性能图；
[0021]图5是本专利技术实施例和对比例的阻抗图。
具体实施方式
[0022]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本专利技术的进一步说明，但本专利技术的保护范围并不限于以下实施例。
[0023]实施例
[0024]本实施例提供了一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，包括以下步骤：
[0025]步骤1，水热法制备氧化铁颗粒，所述的水热法包括：称取1.620g六水合氯化铁溶于80ml去离子水中，待六水合氯化铁完全溶解后，再称取1.512g碳酸氢钠倒入上述溶液中，搅拌30min后，将混合溶液倒入两只50ml的PPL内衬中，再将内衬放于封闭的反应釜中。将反应釜至于150℃烘箱中保温6h，烘箱升温速率为2℃/min。冷却到室温后得到氧化铁颗粒，对产物用水和乙醇进行洗涤，离心、烘干，并将产物在玛瑙研钵中研磨30min。
[0026]步骤2，称取步骤(1)中得到的氧化铁颗粒和三聚氰胺组分质量比为1:4置入玛瑙研钵中，研磨均匀后装入规格为50ml的半封闭式氧化铝坩埚，放入马弗炉中煅烧，煅烧条件是指，以2.5℃/min的升温速率升温到550℃，在550℃条件下保温4h后随炉冷却至室温，产物即为含有氧空位的氧化铁材料。
[0027]性能测试
[0028]称取实施例中得到的含有氧空位的氧化铁材料、乙炔黑(Superp)和聚偏氟乙烯PVDF质量比为70:20:10于研钵中，加入0.6ml的N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)溶解混合物并研磨；将研磨均匀后的浆料涂敷在铜箔表面并在60℃真空干燥箱中干燥12h。将干燥后的铜箔在切片机中裁剪为直径为15mm的圆形电极片，并称量铜箔负载浆料前后的质量。随后将称好质量的电极片，以及组装电池所需的电池壳(CR2032)、垫片、弹片、隔膜、电解液等在充满氩
气的手套箱内组装。电解液为1MLiPF6(EC/DMC/EMC体积比为1:1:1)，压片机进行封装时压强大小控制在50kgcm
‑2，组装完成后，静置电池12h待电解液完全浸润后通过电化学测试系统对电池组抗测试和恒电流充放电测试，充放电的电压范围为0
‑
3.0V。
[0029]图1为样品的XRD图，说明本专利技术实施例制备的氧化铁材料结晶性好。
[0030]图2为样品的透射电镜图，可以看到氧化铁颗粒呈珊瑚形，平均粒径增大到220nm。
[0031]图3和图4分别为氧化铁材料作为电池负极时的倍率性能和循环性能，这种方法得到的电池初始比容量能达到1438.2mAhg
‑1，在1Ag
‑1的电流密度下循环400次后比容量保持为471.6mAhg
‑1。
[0032]对比例
[0033]本对比例提供一种氧化铁材料的制备方法，其作为锂离子电池负极材料。该对比例与实施例不同的是：水热法得到的氧化铁颗粒研磨后放到马弗炉中煅烧时不加入三聚氰胺。其他条件保持不变。
[0034]与对比例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤(1)，水热法制备氧化铁，将其在玛瑙研钵中研磨30min，得平均粒径为50nm的氧化铁颗粒；步骤(2)，将氧化铁颗粒与燃烧剂三聚氰胺混合均匀后，置于马弗炉进行煅烧，得到含有氧空位的氧化铁材料。2.如权利要求1所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热法制备氧化铁的具体步骤为：称取1.620g六水合氯化铁溶于80ml去离子水中，待六水合氯化铁完全溶解后，再称取1.512g碳酸氢钠倒入溶液中，搅拌30min后得混合溶液；将混合溶液倒入两只50ml的PPL内衬中，再将内衬放于封闭的反应釜中，将反应釜至于150℃烘箱中保温6h，烘箱升温速率为2℃/min，冷却到室温后，将产物取出，用水和乙醇进行洗涤，离心、烘干。3.如权利要求2所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，所述洗涤的次数至少为...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘孝军，王艳婷，靳梦静，袁俊生，谢二庆，周金元，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：