[发明专利]一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自支撑电极的制备方法。

背景技术

随着科技的发展，电化学储能装置在新一代清洁能源中起着越来越重要的作用。相比铅酸、镉镍电池等传统化学电源，锂离子二次电池由于具有较高的放电电压和能量密度、绿色环保而被广泛应用于便携式电子设备、电动车以及混合电动车领域。目前商业化锂离子电池负极材料主要为石墨类碳材料，但石墨负极较低的理论比容量(372mAh/g)已经不能满足现今对高能量密度锂离子电池的需求，其由于充放电电压平台低易在充电过程中产生锂枝晶而造成隔膜刺破和电池短路，从而引发安全事故。

氧化铁由于具有理论比容量高(1007mAh/g)、充放电电压平台较高和来源广泛、廉价、无毒、环境友好等优点成为了研究的热点。

石墨烯由于具有导电性好，比表面积高，机械性能良好等优点，近年来被广泛应用于复合材料的研究。由于氧化铁不导电，且用作锂离子电池电极材料时，在充放电过程中会产生较为严重的体积效应，因此导致容量的迅速衰减。将氧化铁与石墨烯二者结合，一方面利用石墨烯良好导电性弥补氧化铁不导电的缺点，另一方面通常将石墨烯作为骨架缓解氧化铁的体积效应，使得材料形貌结构有较好保持，有利于容量的保持。

自支撑电极是指电极活性材料在不依靠集流体的情况下，可以独立作为电极组装电池使用。自支撑电极的出现节省了集流体的使用，简化了电极的制备工艺，缩短了电极的制备时间，具有实际的应用价值。

由于水热法易合成形貌可控、结晶良好、纯度高的材料，近年来采用水热法合成氧化铁/石墨烯自支撑电极材料成为研究的热点。

但现今采用的水热法制备氧化铁/石墨烯自支撑电极材料具有以下缺点：(1)水热釜中混合液的铁盐及石墨烯浓度低，使得产量低，远不能达到商业化生产的需求，对高浓度下制备工艺缺乏研究；(2)石墨烯通常采用Hummers法或其改进法制备氧化石墨烯并还原制得，该方法制备的石墨烯产量小，且还原石墨烯的导电性不理想，影响了材料的性能；(3)将制得的自支撑电极组装成锂离子电池，比容量、容量保有率、循环性能及倍率性能均不理想。

发明内容

本发明的目的是解决现有方法制备的锂离子电池自支撑负极材料中存在的产量低，比容量低，循环容量保有率差和倍率性能差等问题，而提出的一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法。

一种三氧化二铁/石墨烯自支撑电极的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、配置溶液：

①、将铁盐溶于去离子水中，得到铁盐溶液；

步骤一①中所述的铁盐的质量与去离子水的体积比为(2g～5g):(5mL～40mL)；

②、将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；

步骤一②中所述的尿素的质量与去离子水的体积比为(0.66g～2g):(5mL～10mL)；

③、将石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液加入到去离子水中，得到石墨烯分散液；

步骤一③中所述的石墨烯质量分数为3％的石墨烯导电液的质量与去离子水的体积比为(4.93g～23.66g):(10mL～25mL)；

二、在搅拌速度为150r/min～400r/min下，将铁盐溶液逐滴滴加到石墨烯分散液中，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min，再逐滴滴入尿素溶液，再在搅拌速度为150r/min～400r/min下继续搅拌20min～40min；得到混合溶液；

步骤二中所述的铁盐溶液与石墨烯分散液的体积比为(5～40):(10～25)；

步骤二中所述的铁盐溶液与尿素溶液的体积比为(5～40):(5～10)；

三、将混合溶液转移至含有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，再将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应，得到反应产物Ⅰ；

步骤三中所述的将含有聚四氟乙烯内衬的水热釜在油浴中进行反应时含有聚四氟乙烯内衬的水热釜内的搅拌速度为100r/min～400r/min，油浴温度为110℃～220℃，油浴反应时间为4h～20h；

四、将步骤三中得到的反应产物Ⅰ在搅拌速度为150r/min～400r/min下磁力搅拌5min～10min，得到分散均匀的悬浊液；向分散均匀的悬浊液中加入去离子水，再加入粘结剂溶液，再超声分散10min～30min，得到加入粘结剂的悬浊液；

步骤四中所述的分散均匀的悬浊液与去离子水的体积比为0.7:10；

步骤四中所述的粘结剂溶液的质量与分散均匀的悬浊液的体积比为0.2g:(0.5mL～3mL)；