[发明专利]一种利用水稻根制得的Fe3O4/C复合材料及其应用

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种利用水稻根制得的Fe₃O₄/C复合材料、其作为锂离子电池负极材料的应用以及由此制得的锂离子电池。

（二）背景技术

锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型绿色高能二次电池，已成为世界各国竞相研究开发的重点。在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。负极材料是锂离子电池的主要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能。锂电池负极材料有炭材料、含碳化合物和非炭材料，而应用最多的是炭材料。目前，开发和使用的锂离子电池负极材料主要有石墨、软碳、硬碳等，其中石墨负极材料的理论比容量可达372mAh/g。但是由于石墨本身结构特性的制约，石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈，比容量已经达到了极限、不能满足大型动力电池所要求的持续大电流能力等。为满足动力电池高比能量和高比功率的使用要求，近几年以Fe₃O₄与碳的复合材料为代表的新体系备受关注。Fe₃O₄的理论比容量为924mAh/g。Fe₃O₄具有来源丰富，而制备的电池安全性好等优点。

目前科研人员制备Fe₃O₄与碳的复合材料主要是通过还原Fe₂O₃与碳的复合材料而得到的。例如Beibei Wang等所报道的Carbon coated Fe₃O₄hybrid material prepared by chemical vapor deposition for high performance lithium-ion batteries(Electrochimica Acta106(2013)235-243)。

自然界的植物都含有各种矿物质元素，例如，含Fe、Si、Ca等。矿质元素和水分一样，主要存在于土壤中，由根系吸收进入植物体内，运输到需要的部位加以同化，以满足植物生命活动的需要。鉴于植物根的特性，本专利选用水稻根作为研究对象。绝大多数收割后留下稻杆和根都就地焚烧后作为肥料来使用，水稻杆和根不但没有得到充分的利用，并且对环境造成严重污染。只有极少数的水稻杆和根发酵后作农家肥、加工成精饲料或制造沼气。

（三）发明内容

本发明第一个目的是提供一种利用水稻根制得的Fe₃O₄/C复合材料，该Fe₃O₄/C复合材料来源于含有铁膜的水稻根，原料来源广泛且具有废物利用的特点，制备工艺简单，对环境友好，易于工业化实施。

本发明第二个目的是提供所述Fe₃O₄/C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，表现出良好的循环性能、容量保持率和库伦效率。

本发明的第三个目的是提供一种以所述Fe₃O₄/C复合材料作为负极材料的锂离子电池。

下面具体说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种利用水稻根制得的Fe₃O₄/C复合材料，水稻根因为老化，外皮层细胞壁增厚，泌氧能力下降，“氧化圈”缩小到贴近根表，三价铁沉淀在根上，成为黄褐色铁膜，本发明的创新点在于对这层铁膜的充分利用。具体而言，所述Fe₃O₄/C复合材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将水稻根洗净，进行冷冻干燥；

（2）使冷冻干燥后的水稻根在氮气或氩气保护下以5～20℃/min的升温速率升至200～500℃进行预碳化，预碳化后冷却、研磨；

（3）将预碳化后的水稻根与质量分数为10～30%的聚苯乙烯（PS）的DMF（N,N-二甲基甲酰胺）溶液混合，在氮气或氩气保护下以5～20℃/min的升温速率升至400～1000℃进行碳化，碳化后冷却、研磨得到Fe₃O₄/C复合材料。

所述步骤（2）中，升温速率优选为5～18℃/min，更优选为5～10℃/min，最优选为5℃/min；预碳化温度优选为300～400℃，更优选300～350℃，最优选为350℃；预碳化时间优选为1～2小时，优选2小时。