[发明专利]一种制备三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法

说明书

一、技术背景

本发明涉及一种制备新型三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料方法，能在锂离子二次电池负极材料上有很大的应用前景。该材料属于新材料、新能源领域。

二、背景技术

自1991年索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池后，锂离子电池就进入了一个高速发展的阶段。锂离子电池以输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质、安全环保等特点被称为绿色电池。锂离子电池是由正极材料、隔膜材料、负极材料、电解液和外壳等部件组成的。而其中作为锂离子电池主体的电极材料是决定锂离子电池二次电池容量的关键，因此提高锂离子负极材料的储锂能力具有很重要的作用。理论上，中间相碳微球为锂离子电池负极的比容量为372mA/h，而实际值更是低于理论值，远不能满足人们现阶段对电池的需求。

Fe₂O₃作为过渡金属的，具有理论高容量、低毒性和廉价易得等特，而且关于Fe₂O₃作为锂离子负极材料的报道早已见诸期刊，其作为电极负极材料的理论比容量为1005mA/h。但是Fe₂O₃作为负极材料的储锂机理不同，在充放电过程中，体积会发生膨胀变大，产生相应的材料内应力，导致材料易解体、粉化和脱落，最后负极材料储锂能力减小，循环次数锐减，内阻也变大。因此，制备一种高容量Fe₂O₃负极材料刻不容缓。

石墨烯是世界上最薄(0.34nm)、最强韧的材料，理论比表面积高达2630cm²/g，它的强度是钢材的200倍，与金刚石相当，同时弹性模量又高达1.0TPa。单层石墨烯不属于以往任何一种凝聚态系统，电子在其中的传播失去了有效质量，它的载流子迁移率高达200000cm²/Vs，是硅的100倍。同时石墨烯可以耐受1～2×10⁸A/cm²的电流密度。其中，石墨烯导电率高，可有效提高Fe₂O₃作为锂离子二次电池电极材料的导电性，同时石墨烯可以缓解Fe₂O₃在充/放电过程中巨大的体积变化所产生的应力，提高固态电解质界面的稳定性，以提高Fe₂O₃作为锂离子二次电池负极材料的性能。

碳纤维是将聚丙烯腈等材料的纤维经预氧化、碳化、石墨化、表面处理工艺后制得的含碳量大于90％的碳纤维，直径一般为7～8μm。其弹性模量高达230GPa，其中24K以上的碳纤维每米电阻低于18Ω。如将碳纤维混杂在上述的石墨烯/Fe₂O₃复合材料之中，可形成以碳纤维为网格骨架，石墨烯/Fe₂O₃复合材料为内容的均匀分散的网络结构。这样的网络结构，为锂离子进出电极提供了大量顺畅的输运通道，使其可充分与Fe₂O₃负极材料接触，提高Fe₂O₃负极材料的利用效率。同时碳纤维和石墨烯的高导电性能够在充放电过程中保证载流子(电子)的快速迁移，达到降低现有电池内阻的目的。

三、发明内容

本发明的目的在于开发一种高储锂容量、导电率高、充电速率快的三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料作为锂离子二次电池负极材料的方法。

本发明是先制备纳米三氧化二铁，然后用石墨烯与之复合成三氧化二铁/石墨烯复合材料，然后再在此基础上，加入碳纤维，进一步加强此复合负极材料的各种性能，让其储锂能力增强，减小负极材料的内阻。最后得到了一个三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。

本发明采取以下方式来制备三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料：

A，用化学氧化还原法制备出石墨烯；

B，将得到的纳米三氧化二铁按占复合材料总质量的85-90％的比例与石墨烯按占复合材料总质量的0.1-1％的比例，加入到有机溶剂中混合，然后搅拌1-24h，得到氧化铁和石墨烯混合物；

C，对氧化铁和石墨烯的混合物进行超声处理0.5-5h，使之混合更加均匀；

D，将得到的石墨烯和氧化铁混合物和占复合材料总质量10-15％的碳纤维加入无水乙醇溶剂中，继续搅拌1-24h，并超声0.5-5h。

E，用水洗涤混合物，并抽滤或离心分离，40-100℃的温度下鼓风干燥后得到三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。