一种米粒状α-三氧化二铁的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种米粒状α-三氧化二铁的制备方法和应用。其制备过程采用水热反应法，具体步骤如下：先采用机械搅拌将铁盐和表面活性剂均匀分散在去离子水中，得到混合溶液；将混合液置于反应釜中水热反应；最后对所得产物进行清洗并冷冻干燥，得到前驱体；再将前驱体于200～900℃下焙烧1～40h，冷至室温后研磨，得到红色米粒状三氧化二铁粉末材料。本发明专利技术的优点在于原料来源广泛，制备方法简单，操作方便，绿色无污染，所得的材料结构纯度高，形貌规则，粒径分布均匀，其作为锂离子电池负极材料时，首次可逆充放电容量可达1000mAh/g以上，并且具有较好的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三氧化二铁的制备方法和应用，特别是一种米粒状α -三氧化二铁(Ci-Fe2O3)的制备方法和应用，属于新材料制备方法和应用

技术介绍
近年来，电动工具、电动助力车和电动汽车等领域的迅速发展为锂离子电池提供了广阔的应用空间，但同时也对锂离子电池的性能提出了更高的要求。但目前锂离子电池中主要采用石墨类材料(理论容量为372mAh/g)作为负极，其较低的理论容量是制约锂离子电池作为未来动力电池的瓶颈，因而急需寻求新一代的高比能电极材料。α -Fe2O3作为锂离子电池负极材料时具有高达1007mAh/g的理论比容量，同时铁系材料具有来源丰富、 成本低廉、无毒、绿色环保等优点，因而被视为极具潜力的新一代锂离子电池电极材料。但同时Ci-Fe2O3的导电性较差，且在锂离子嵌脱循环过程中存在较大的体积变化，从而导致 α -Fe2O3颗粒逐渐粉化，进而丧失其作为锂离子电池负极材料的优异性能。通常认为α-Fe2O3颗粒的尺寸、形貌均会对其电化学性能有很大的影响，而制备不同形貌和尺寸的α -Fe2O3，是改善其电化学性能的重要方法。Liu等人在Electrochimica Acta 2009 1733-1736上报道了采用水热合成法制备了纳米棒状α-Fe2O3，首次放电比容量为1332mAh/g，30周循环后仍具有753mAh/g的放电比容量。Nuli等人在Journal of Power Source 2008 456-461上报道了球形铁的氧化物一般具有高的首次比容量，而线状铁的氧化物则具有优良的循环性能。水热法是一种制备可控形貌纳米材料的有效方法，具有粒子纯度高、分散性好、生产成本低和易大规模生产等优点。因而可以预见，采用水热法制备出特定形貌的α-Fe2O3，能获得分散均勻、结构稳定并具备优良综合电化学性能。而目前该方面的工作未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种米粒状的α-Fe2O3的制备方法和应用。该方法制备的米粒状α-Fe2O3单分散性好，尺寸分布集中；所制备的米粒状α-Fe2O3应用于锂离子电池电极材料时，首次充放电可逆容量达到1011mAh/g，并且具有很好的循环性能；同时具有制备工艺简单，材料来源广泛，环境友好等优点，可进行大规模生产。实现本专利技术的技术方案是以铁盐为原料，加入合适的表面活性剂，通过机械搅拌混合均勻，然后采用水热反应法制得α -Fe2O3前驱体，再经过焙烧后得到米粒状α -Fe2O3材料。其具体步骤为(1)将一比例的铁盐和表面活性剂溶于去离子水中，机械搅拌均勻；(2)将上述混合液转移至水热反应釜，90 250°C下反应1 40小时；(3)将反应所得到产物分别用去离子水和无水乙醇反复清洗数次，真空冷冻干燥后得到α -Fe2O3前驱体；(4)将α -Fe2O3前驱体在200 900°C下焙烧1 Mh，自然冷却至室温，得到红色米粒状α -Fe2O3。步骤(1)中所说的铁盐，可以是硫酸铁，氯化铁，硝酸铁和草酸铁的水合盐中的一种或者几种的组合物；步骤(1)中所说的表面活性剂，包括不同分子量的聚乙二醇，柠檬酸，水杨酸；步骤C3)所说的清洗方法，包括过滤法和离心法两种方法。本专利技术的特点是通过机械搅拌，先将原料均勻混合，然后利用水热反应一步制得 α-Fe2O3前驱体，最后焙烧得到米粒状Ci-Fe2O3材料。其优点在于原料普通易得、生产成本低廉、制备工艺安全简单、产物可调控性强、制备过程中各步骤都不产生有毒有害物质；所得的材料结构纯度高，形貌规则，粒径分布集中。米粒状α-Fe2O3材料用作锂离子电池负极材料时具有良好的综合电化学性能。附图说明图1是按实例1 (a图)和实例2 (b图)所制备的米粒状α -Fe2O3的X射线衍射 (XRD)图谱。图2和图3是按实例1所制备的米粒状α -Fe2O3在扫描电镜下观测得到的形貌。图4是按实例1所制备的米粒状α -Fe2O3在150mA/g电流密度的循环稳定性曲线。图5和图6是按实例2所制备的米粒状α -Fe2O3在扫描电镜下观测得到的形貌。 具体实施例方式下面结合具体实施例，对本专利技术的技术方案作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，未背离本专利技术精神和范围对本专利技术进行各种变形和修改对本领域技术人员来说都是显而易见的，这些等价形式同样落于本申请说附权利要求书所限定的范围。实施例一将6. 75g六水合氯化铁和3. 75g聚乙二醇加入200ml去离子水中，机械搅拌0. 5小时得到均勻的混合溶液。将此混合溶液转移到水热反应釜底，160°C下反应12小时。将水热产物分别用去离子水和无水乙醇离心清洗数次，真空冷冻干燥后，得到α -Fe2O3前驱体。 将得到的材料在300°C下焙烧2小时，冷却至室温，得到米粒状α -Fe2O3材料。图Ia是实施例1得到的米粒状α -Fe2O3的X射线衍射(XRD)图谱。图2和图3是实施例1所制备的米粒状α -Fe2O3在扫描电镜下观测得到的形貌。研究电极按40%的米粒状α -Fe2O3活性材料、20%炭黑、20%石墨和20%的聚偏氟乙烯粘合剂的质量百分比组成；电解液为lmol/L LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)+DEC(碳酸二乙酯)+DMC(碳酸二甲酯)(质量比为1 1 1)，装配成纽扣电池。充放电实验在2032型扣式电池中完成，金属锂作为对电极；隔膜为Celgard 2300。图4是在室温下在3 0. 005V范围内以150mA/g的电流密度对电池进行充放电测试的循环稳性曲线。由图可见，本专利技术制得的米粒状α-Fe2O3材料作为锂离子电池电极活性材料时，具有接近1340mAh/g的首次充电容量，并且循环M周后，还有接近1047mAh/g 充电容量。实施例二 将6. 75g六水合氯化铁和6g聚乙二醇加入400ml去离子水中，机械搅拌2小时得到均勻的混合溶液。将上述混合溶液转移到水热反应釜底，180°C下反应M小时。将水热产物分别用去离子水和无水乙醇离心清洗数次，真空冷冻干燥后，得到α-Fe2O3前驱体。将得到的材料在500°C下焙烧4小时，冷却至室温，得到米粒状α -Fe2O3材料。图Ib是实施例2得到的米粒状α -Fe2O3的X射线衍射(XRD)图谱。图5和图6是实施例2所制备的米粒状α -Fe2O3在扫描电镜下观测得到的形貌。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种米粒状α－三氧化二铁材料，其特征在于由以下步骤制备而得：（１）将铁盐和表面活性剂加入到水中机械搅拌，形成均匀的混合溶液；（３）将上述混合液转移至反应釜进行水热反应；（４）反应完毕，将所得到产物清洗，干燥后得到的前躯体经焙烧后，最终得到米粒状α－三氧化二铁材料。

【技术特征摘要】
1.一种米粒状α-三氧化二铁材料，其特征在于由以下步骤制备而得(1)将铁盐和表面活性剂加入到水中机械搅拌，形成均勻的混合溶液；(3)将上述混合液转移至反应釜进行水热反应；(4)反应完毕，将所得到产物清洗，干燥后得到的前躯体经焙烧后，最终得到米粒状 α -三氧化二铁材料。2.根据权利要求1所述的一种米粒状α-三氧化二铁材料，其特征在于水与氯化铁的用量之比1 1 2000 1，氯化铁(按六水合三氯化铁计)与表面活性剂的质量比 3 1 1 3。3.根据权利要求1所述的一种米粒状α-三氧化二铁材料，其特征在于水热反应的温度范围在90 250°C之间，反应时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴超，田雷雷，李佳，徐守冬，邱祥云，庄全超，蒋荣立，史月丽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：32