[发明专利]一种制备锂离子电池泡沫状四氧化三铁/碳复合负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备锂离子电池泡沫状四氧化三铁/碳复合负极材料的方法，属于化工电极材料制造工艺技术领域。

背景技术

锂离子电池自1990年实现商业化以来，就被广泛应用于数码相机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等领域中。近年来，随着电动自行车的广泛普及，新一代纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）的商品化开发，对高容量二次电池的需求也日益增加，加之环保的需要，世界各国都在致力于研究开发高能量密度、长循环寿命和无污染的“绿色电池”。相对于传统的铅酸电池、镍氢电池和镍铬电池等其他二次电池，锂离子电池凭借其比能量高、工作电压高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优异性能正逐步占领市场，被称为20世纪主导电源，近十余年来成为世界各国的研究热点。

在锂离子电池负极材料的研究中，传统的碳质负极材料主要为石墨和碳微球，其最早被人们所研究并大量商品化。碳材料具有良好的充放电特性、高度可逆的嵌入反应、热力学稳定以及电解液相容性好等特点，然而其理论容量仅为372mAh/g，相对于目前人们对电池高容量特性的追求表现出了一定的局限性。近年来，纳米过渡金属氧化物(Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co₃O₄、CuO和NiO等)以其高比容量和高倍率性能成为新型锂离子电池负极材料的研究热点。其中四氧化三铁(Fe₃O₄)具有理论容量高(928mAh g^-1)、结构稳定、价格低廉和环境友好等优点，成为非常受关注的锂离子电池负极材料。然而，Fe₃O₄用作锂离子电池负极材料依然面临很大的障碍：首先，Fe₃O₄的储锂属于转化类机制，即储锂后生成纳米Fe和Li₂O颗粒(<5nm)，纳米Fe具有很强的催化作用，易引起大量不可逆副反应，造成较大的首次不可逆容量。其次，材料在储锂前后物质结构发生改变，巨大的体积变化会使材料表面的SEI膜被破坏，使电极材料暴露在电解液中而造成活性材料的消耗，导致较差的循环稳定性。目前，克服Fe₃O₄负极材料缺点的主要方法是将材料纳米化或与碳进行复合，其中碳具有高导电率、良好的Li⁺渗透性和缓冲体积膨胀等作用。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种制备锂离子电池泡沫状四氧化三铁/碳复合负极材料的方法，以改善锂离子电池四氧化三铁负极材料的电化学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种制备锂离子电池泡沫状四氧化三铁/碳复合负极材料的方法，其具体步骤如下：

1)将明胶和去离子水按照质量比为1～10:90在60～80℃加热搅拌溶解；

2)将铁盐溶于去离子水，加入至步骤1)得到的混合溶液中，其中铁盐和混合溶液的质量比为1～2:5，于60～80℃继续加热搅拌直至溶液蒸干；

3)将步骤2)制得的产物移至真空干燥箱中干燥，直至产物自发膨胀得到泡沫状前驱体；干燥温度低于该产物的煅烧温度；

4)将步骤3)得到的泡沫状前驱体研磨成粉，在惰性气氛下进行煅烧，煅烧时间为2～4h；反应结束后，在惰性气氛保护下冷却至室温，得到泡沫状四氧化三铁/碳锂离子电池负极材料。

上述步骤2)中的铁盐为硝酸铁、氯化铁、乙酸铁、乙酰丙酮铁中的一种。

上述步骤4)中的惰性气体为氩气或氮气，煅烧温度为400～600℃、升温速率1～10℃/min。

有益效果

1、本发明选择明胶作为碳源，制得泡沫状四氧化三铁/碳的复合材料，利用泡沫状复合材料结构发达的孔隙及良好的导电性，改善了Fe₃O₄负极材料的循环稳定性及倍率性能。其表现出高的充放电比容量和良好的循环性能：0.2C（200mA g^-1）条件下循环50周，容量保持在700-900mAh g^-1。

2、本发明安全无毒，制备工艺简单易行，制备参数可控性强，制备所得的四氧化三铁/碳复合材料具有多孔结构，其中碳的引入有效增加复合材料的导电性，同时为材料的体积变化提供一定的缓冲空间，此复合材料作为锂离子电池负极材料表现出较高的比容量，良好的循环稳定性及倍率性能。

附图说明