一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料及其作为电池负极材料的应用制造技术

本发明专利技术属于玻璃制备技术及电化学材料技术交叉领域，涉及玻璃电极材料，具体为一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料及其作为电池负极材料的应用。本发明专利技术从Fe2O3‑

【技术实现步骤摘要】
一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料及其作为电池负极材料的应用


[0001]本专利技术属于玻璃制备技术及电化学材料技术交叉领域，涉及玻璃电极材料，具体为一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料及其作为电池负极材料的应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池广泛应用于生产生活的各个方面，例如广泛应用于航天航空领域，制造业领域，交通出行电源，电力储能电源，移动通信电源等一系列的应用中。在当下储能电池这一领域中，能够制造出绿色环保的电池是当下的发展方向，锂离子电池一直是绿色环保电池的首选。
[0003]在发展的过程中，高比能量化是永恒的课题，包括电极材料的大容量化。理想负极材料的要求为高比容量，可逆性好，电压平台稳定适中，良好的界面结构，稳定的SEI膜，高Li
+
扩散系数，高导电性，廉价、环保。寻找新型的负极材料成为热点话题，而玻璃材料作为锂离子电池的负极材料具有明显的优势。因其玻璃结构具有各向同性，电荷运动时会移动至材料内部。玻璃结构还具备具有三维无规则网络结构，有利于锂离子的传输和这种网络为电池充放电中锂离子提供活性位点存储，另外，多价金属氧化物的引入有利于提高玻璃材料的电导率，这对于锂离子电池的能量和功率密度的提高有显著作用，因此在锂离子电池电极领域有巨大的应用潜力。金属硼酸盐玻璃由于其玻璃形成体具有较低的原子量，根据法拉第定律，电极材料的理论容量与其分子量成反比。在所有已知的无机盐型电极材料中，因为B元素比P、Si、S元素轻得多，所以硼酸盐通常比磷酸盐、硅酸盐和硫酸盐的分子质量小得多。因此，硼酸盐可以提供与其他材料相比更高的容量，并且作为高能量密度的可充电电池负极材料应该具有较强的潜力。
[0004]金属硼酸盐玻璃作为锂电池优良的电化学负极材料时，具有高可逆容量，极好的循环性能和倍率性能的特性。研究发现，大部分硼酸铁玻璃作为负极材料有着良好的电化学性能，但是受Fe2O3和B2O3两个组分的配方比的影响。当Fe2O3含量较低时（<30%），容易形成纯玻璃，不产生微晶，但是当Fe2O3含量高于30时，极易析晶，形成微晶玻璃。此外，随着Fe2O3含量的增加，其作为锂离子电池负极材料的性能会越来越高。而当Fe2O3含量较低时（<30%），其电化学性能表现较低。因此，如何制备高铁硼比的硼酸铁盐玻璃，是其作为电池负极材料需要解决的问题；也是得到高容量，高倍率性能和高导电率的锂离子电池需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了制备高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料，本专利技术从Fe2O3‑
B2O3玻璃的结构及组成入手，通过用酸进行腐蚀，会腐蚀掉玻璃中的B2O3，这样就会使每个样品中的Fe2O3：B2O3比增加，尤其是对于酸处理后的玻璃样品，其Fe2O3：B2O3远大于3/7，这是利用传统的熔融
‑
冷却法难以制备的玻璃材料。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料，采用硝酸腐蚀Fe2O3‑
B2O3玻璃制备而成。
[0007]优选地，所述的Fe2O3‑
B2O3玻璃为：Fe2O3粉末、硼酸粉末充分混合均匀，熔融冷却法制备得到。
[0008]优选地，用硝酸浸泡Fe2O3‑
B2O3玻璃1
‑
10min而成。
[0009]本专利技术的另一个目的是保护上述高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料作为电池负极材料的应用。
[0010]进一步地，所述的电池为锂离子电池。
[0011]本专利技术的有益效果腐蚀后的玻璃作为锂离子电池负极，由于其铁离子含量在增加，研究酸腐蚀对硼酸铁玻璃的微观结构的影响，尤其是对电化学性能的影响，10Fe2O3–
90B2O3制备的负极在1000次循环后，在1 Ag
−1下表现出约136.6 mA hg
−1的可逆容量，发现经过硝酸处理后，10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3阳极在1000次循环后，在1 A g
−1下表现出约239.5mA hg
−1的可逆容量。这说明低含量的Fe2O3经过酸处理后，铁硼比增加，其容量，倍率性能和导电率均会大幅度提高。从而该玻璃的电化学性能大幅度提升，故而可在低温下利用熔融冷却法得到一种高铁硼比的玻璃。
附图说明
[0012]图1为本专利技术实施例1制备的10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃粉末的XRD图；图2为本专利技术实施例1制备的10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃粉末作为锂离子电池负极材料的电化学循环性能图；图3为本专利技术实施例1制备的10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃的DSC图；图4为10Fe2O3–
90B2O3及硝酸处理的阻抗图谱；图5为20Fe2O3–
80B2O3及硝酸处理的阻抗图谱；图6为30Fe2O3–
70B2O3及硝酸处理的阻抗图谱。
具体实施方式
[0013]实施例1：10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃材料的制备称取2.0310g的Fe2O3粉末和14.1548g的硼酸粉末，在研钵中研磨5min，保证样品充分混合，将混合后的样品置于氧化铝坩埚中，放入M1500
‑
30IT的马弗炉中熔融，马弗炉的升温速率为5℃/min，熔融温度为1280℃，恒温保持30min后，将熔融好的样品置于温度为530℃的退火炉中冷却2h，得到10Fe2O3–
90B2O3样品。
[0014]将硝酸处理好的玻璃样品用研钵研磨成碎粒，放入烧杯中，将硝酸滴入其中，样品在硝酸中浸泡3min，酸腐蚀后进行清洗，放入烘干机中烘干，得到10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃。
[0015]图1为10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃粉末的XRD图；由图1可以看出，经过硝酸处理后的10Fe2O3–
90B2O3玻璃内部结构并未形成新的晶体，仍为玻璃态。
[0016]图2为10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃粉末作为锂离子电池负极材料的电化学循环性能图；从图中可以看出经过硝酸处理后的样品10Fe2O3–
90B2O3阳极在1000次循环后，在1 Ag
−1下表现出的可逆容量为原始玻璃的两倍。
[0017]图3为10Fe2O3–
90B2O3‑
HNO3玻璃的DSC图，从图中可以看出对于未经硝酸处理的原
始样品，其DSC图谱出现两个Tg，即产生了分相，形成了两种玻璃态，而经过硝酸处理的样品，第一个玻璃转变峰消失，说明经过硝酸腐蚀后改变了其微观结构，玻璃消除了其中一种玻璃相。
[0018]实施例2：20Fe2O3–
80B2O3‑
HNO3的玻璃材料的制备称取3.6444g的Fe2O3粉末和11.2888g的硼酸粉末，在研钵中研磨5m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料，其特征在于，采用硝酸腐蚀Fe2O3‑
B2O3玻璃制备而成。2.根据权利要求1所述的高铁硼比的硼酸铁盐玻璃材料，其特征在于，所述的Fe2O3‑
B2O3玻璃为：Fe2O3粉末、硼酸粉末充分混合均匀，熔融冷却法制备得到。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳飞，李亚聪，李翔宇，苏循波，张加艳，单志涛，郑秋菊，胡曰博，刘树江，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：