[发明专利]一种核壳结构颗粒与石墨烯复合材料的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉一种核壳结构颗粒与石墨烯复合材料的制备方法和应用，属于纳米材料和化学电源技术术领域。

背景技术

合成材料技术取得的突破为纳米结构材料的制备和应用提供保障，其中设计和制备出具有不同组分的核壳纳米结构材料是近年来研究的前沿领域。这类核壳纳米结构材料具有如下特点：具有2层或2层以上的多层结构；不同结构层之间的功能可以进行复合与互补；呈现出不同于核或壳本身性能的一些新型功能。核壳纳米结构材料具有独特的物理和化学性能，使其在催化、药物输送、微电子、光子晶体、锂离子电池以及传感器等许多领域具有广阔的应用前景。

三氧化二铁（Fe₂O₃）_-是一种具有较多用途的功能材料，其作为锂离子电池电极负极材料时具有高达1007 mAh/g的理论比容量，同时还具有生产成本低廉、易大规模生产和无毒无污染等优点，因而被视为极具潜力的新一代锂离子电池电极材料。但从实际应用的观点来看，存在以下2个方面的问题亟待解决：（1）Fe₂O₃导电性较差，存在严重的电压滞后现象，即其充电电压和放电电压之间存在较大的差别，导致较低的能量效率；（2）Fe₂O₃与锂离子反应后，会发生较大的体积膨胀，产生较大的应力，造成电极材料活性颗粒失去良好的电接触和机械接触，导致可逆循环容量衰减较快。因此通过对Fe₂O₃改性和修饰制备出具有良好电导率和稳定可逆容量的电极材料是解决这些问题的关键。

目前对Fe₂O₃电极材料的改性主要是通过化学方法将其与碳材料复合，采用碳纳米管、石墨、乙炔黑等碳源对单一组分的Fe₂O₃纳米颗粒进行包覆改性，但制备出的铁氧化物复合材料在大电流充放电条件下普遍容量较低。金属Fe具有较好的导电性，但其本身并不与锂离子反应。如能将Fe₂O₃和金属Fe同时与石墨烯复合，制备出具有优异综合电化学性能的Fe@Fe₂O₃核壳结构颗粒与石墨烯复合材料，将会极大程度提高电极材料内部的导电性和结构稳定性，是很有意义的工作，而这种复合材料目前未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种核壳结构颗粒与石墨烯复合材料的制备方法和应用。该方法能够使尺寸、形貌可控的Fe@Fe₂O₃核壳结构颗粒均匀分布在具有石墨烯中；所制备Fe@Fe₂O₃核壳结构颗粒与石墨烯复合材料用作锂离子电池负极材料时，有较好的循环寿命和倍率性能，尤其在大电流充放电条件下仍然具有较优异的充放电性能；同时具有制备工艺简单，环境友好等优点，可进行大规模生产。

实现本发明的技术方案是：以铁盐和石墨烯为原料，先通过机械搅拌混合均匀，然后采用水热反应法制得，最后在一定温度下焙烧得到Fe@Fe₂O₃核壳结构颗粒与石墨烯复合材料。其具体步骤为：

（1）将一比例的铁盐和石墨烯溶于去离子水中，超声分散25~180分钟得到均匀的混合溶液；

（2）加入一定量的碱溶液，使混合液pH为5~11，继续搅拌；

（3）将上述混合液转移至水热反应釜，120℃~230℃下反应6小时~48小时；

（4）将反应所得到产物分别用去离子水和无水乙醇清洗，真空冷冻干燥后得到产物；

（5）将产物在保护气氛下500℃~900℃焙烧6小时~36小时，冷却至室温，得到Fe@Fe₂O₃核壳结构颗粒与石墨烯复合材料。

步骤（1）中所说的铁盐，可以是氯化铁，硫酸铁，硝酸铁和草酸铁的水合盐中的一种或两种以上；步骤（2）中所说的碱溶液，可以是氨水、氢氧化钠、碳酸钠或者尿素中的一种或两种以上；步骤（4）所说的清洗方法，包括过滤法和离心法两种方法。