[发明专利]一种石墨-四氧化三铁复合负极材料的制备方法

说明书

所属技术领域

本发明涉一种石墨-四氧化三铁复合负极材料的制备方法。

背景技术

能源是人类社会发展的重要物质基础，但煤碳、石油和天然气等矿物能源存量锐减使人类面临资源枯竭的压力，同时环境污染问题也日趋严重。因此，能源和环境问题已经成为世界各国关注的焦点。提高能源使用效率、开发利用可再生能源、保护生态环境、实现可持续发展已成为各国政府和科研人员的共同目标和课题。从战略上说，开发可再生能源是解决能源问题的根本，因此这方面的研究工作已受到广泛关注，锂离子电池是可再生能源里的一个重要分支。商业化锂离子电池普遍采用石墨材料作为负极，它的理论比容量仅有372mAh/g，且在快速充放电过程中存在石墨层剥落现象，导致明显的容量衰减；此外，石墨负极材料的嵌锂电位与锂析出电位接近，组装成电池组后，某些单电池在快速充放电过程中易产生锂枝晶现象，这些因素都严重制约其在动力锂离子电池中的应用。因此，采用其它材料代替石墨负极成为锂离子电池研究的重点。 

近年来，人们发现某些铁氧化物也可以用于锂离子电池负极材料，主要包括FeO、Fe3O4以及α-Fe2O3。这类材料具有比容量高、资源丰富、环境友好以及价格低廉等优点，此外，FeO与Fe3O4还具有较好的导电性能，有望在高功率锂离子电池方面得到应用。铁氧化物的嵌锂过程与其它过渡金属氧化物负极材料类似。三种铁氧化物材料中，α-Fe2O3的理论比容量最高，约为1005mAh/g，但导电性能极差，即使在制备用于低功率充放电的电极片时，也往往需添加40％左右的导电剂，很难实现商业化应用。Fe3O4的理论比容量虽然较低，仅为745mAh/g，但导电性能较好，可用于高容量型锂离子电池负极材料。但是Fe3O4脱锂还需更充分，首次充放电效率有待提高。 

发明内容

为克服上述不足，本发明提供一种石墨-四氧化三铁复合负极材料的制备方法，使用该方法制备的负极材料，具有较高容量、较高的首次充放电效率和良好的循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种石墨-四氧化三铁复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备活性物质Fe₃O₄

用去离子水和氯化亚铁配制浓度为1.5-2mol/L的氯化亚铁溶液，用去离子水和氢氧化钾配制浓度为2-3mol/L的氢氧化钾溶液，将氯化亚铁溶液加热至95-99℃，将氢氧化钾溶液以喷淋的方式加入到氯化亚铁溶液中，同时在溶液中鼓入氧气，等到不在出现新的沉淀物时停止喷淋氢氧化钠溶液，然后加入氯化亚铁含量2-3％的炭黑，再鼓入氧气20-40min，过滤得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物至不含盐酸根粒子，将沉淀物烘干后，放到800-850℃的条件下还原，将还原后的物质粉碎至过30目筛，得到活性物质Fe₃O₄ ；

（2）制备高可逆容量石墨混合物

首先，通过化学气相沉积的方法在纳米硅球粉表面均匀包覆炭层，其中的炭层重量占15-20％，具体步骤为：将纳米硅球粉放在化学气相炉内，以氮气为载气，载气流速为200-300ml/分钟，在氮气保护下，将化学气相炉内温度以5-10℃/分钟的升温速率升至750-850℃，再通入甲烷，甲烷的体积浓度为载气的10-15％，进行化学气相沉积，化学气相沉积时间为1-2h，压力为常压；

再将包覆有炭层的纳米硅球粉与石墨进行球磨混合3-6h，球磨速度为300-400r/min，其中的纳米硅球粉重量占混合物总重的15-25％，得到高可逆容量石墨混合物；

（3）合成石墨-四氧化三铁复合负极材料

称取一定量的上述活性物质Fe₃O₄，按Fe₃O₄的量加放1-2wt％的氧化镝，10-15wt％的上述高可逆容量石墨混合物，再加入占Fe₃O₄的量的20-30wt%的浓度为15-20wt％PVA粘结剂，搅拌均匀后，得到石墨-四氧化三铁复合负极材料。

本发明制备的锂离子电池用石墨-四氧化三铁复合负极材料，将比容量较高-四氧化三铁复合负极材料和高可逆容量的石墨材料结合在一起，使得其兼具高容量、高充放电速率以及高循环稳定性的特点。因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有较高的容量、快速的充放电速度以及较长的使用寿命。

具体实施方式

实施例一