[发明专利]一种碳纳米纸基原位负载四氧化三铁的锂离子电池负极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种锂离子电池负极及其制备方法，特别涉及一种碳纳米纸基原位负载四氧化三铁锂离子电池负极及其制备方法。

背景技术

作为新一代绿色高能可充电的锂离子电池，以其开路电压高、能量密度大、使用寿命长等优点而广泛应用于各种小型便携带式电子设备。但现今商业化的锂离子电池却因碳负极石墨材料的储锂能力较低（理论容量372 mAh·g-1），远远不能满足新一代纯电动汽车和混合动力汽车应用的需求，并成为制约锂离子电池向高容量大功率型电源发展的一个重要因素。四氧化三铁能与锂离子发生如下反应：

Fe₃O₄+8 Li⁺ + 8e^- ?3Fe + 4Li₂O .

因此，Fe₃O₄能可逆的存储和释放锂离子，其有较高的理论比容量 928 mAh·g-1，是石墨的3倍；而且四氧化三铁是一种极为便宜的常见金属氧化物，具有无毒、导电性优良、环境友好等优点，是一种非常有希望的锂离子电池负极材料。

然而，Fe₃O₄在锂离子脱嵌过程中，存在严重的体积变化效应，导致在充放电过程中电极结构破坏，容量急剧衰减，电极循环性能差。采用纳米结构的Fe₃O₄复合结构电极有望提高循环性能。例如，杂志Advanced Functional Materials（2008，vol.18，3941–3946）在2008年报道了一种采用碳包覆的纳米级纺锤形Fe₃O₄作为锂离子电池负极材料在0.2 C（5小时充放电时间）的可逆容量为745 mAh·g-1，0.5 C （2小时充放电时间）时的可逆容量为600 mAh·g-1，但是这种方式大电流的倍率性能差；2006年，公开杂志nature materials（2006,vol.5）报道了一种采用电镀的方式将Fe₃O₄附着于Cu纳米线阵列上，表现出了优异的倍率性能，以8C（7.5 分钟充放电时间））充放电，可逆容量保持率仍达到80%，但是此方式制备工艺复杂，不适于工艺大规模生产；中山大学的蔡俊杰等在公开杂志《电化学》上发表一种应用共沉淀法并以原位聚合苯胺包覆Fe₃O₄ 作碳源制备了用于锂离子电池负极的Fe₃O₄/C 复合材料。Fe₃O₄/C复合材料不仅具有较高的比容量（以50 mA/g 充放电容量大约是1000 mAh/g），而且循环性能优异，但是此法大倍率循环性能差。

碳纳米纸（巴基纸，bucky paper）是一种由碳纳米管或碳纳米纤维交联聚合形成的自支撑的纸状基材，它一方面保留了碳纳米材料高比表面积、导电性等特点；另一方面还具备宏观材料的可操作性；同时，碳纳米纸是一个自支撑的网络结构，质轻，用于锂离子电池可以避免使用金属集流体的使用。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种碳纳米纸负载四氧化三铁的锂离子电池负极；另一目的在于提供上述电极的制备方法。

本发明第一目的是这样实现的， 所述碳纳米纸是有碳纳米管，碳纳米纤维中的一种或者混合聚集而成的疏松多孔的网络结构，孔隙率50%以上；四氧化三铁纳米颗粒附着于柔性的、疏松多孔的、导电良好的碳纳米纸上。

所述碳纳米纸可以添加少量粘合剂以增加其力学强度。

本发明第二目的是这样实现的，包括碳纳米纸至于恒温装置上；喷洒含铁源初始液；使碳纳米纸处于浸润状态；喷洒沉积液；清洗；烘干与烧结。

所述恒温装置控制温度为40℃至90℃。

所述铁源初始液，包含二价铁离子和三价铁离子的溶液。

所述铁源初始液中二价和三价铁离子摩尔比例为1:2到1:1.5之间。

所述沉积液，为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、氨水中的一种。

所述清洗过程分别采用大量去离子水浸泡与冲洗。

所述烘干与烧结过程采用低温低气压烘干、高温惰性气氛烧结、高温还原性气氛烧结中的一种；所述低温低于100 ℃，所述惰性气氛为氮气或氩气。

   有益效果