[发明专利]一种石榴型结构三氧化二铁及其制备方法和作为锂离子负极活性材料的应用

说明书

本发明公开了一种石榴型结构三氧化二铁及其制备方法和作为锂离子负极活性材料的应用，石榴型结构三氧化二铁由微米级三氧化二铁外壳包裹纳米级三氧化二铁小球构成，其制备过程是将聚合硫酸铁进行热分解，即得石榴型结构三氧化二铁，该制备方法简易、高效、低成本，制备的石榴型结构三氧化二铁作为锂离子电池负极材料，表现出优异的容量、倍率与循环性能。

技术领域

本发明涉及一种三氧化二铁材料，特别涉及一种由聚合硫酸铁直接热解制备具有特殊石榴型结构的三氧化二铁的方法，及其作为负极活性材料在高容量、高倍率性能锂离子电池中的应用；属于锂离子电池材料技术领域。

背景技术

近年来，多种多样的便携式电子设备对电池要求越来越高，锂离子电池凭借其工作电压高、比容量大、循环寿命长、自放电少、工作区间范围广、无记忆效应和无环境污染等优点得到广泛应用。三氧化二铁作为一类新型的锂离子电池负极材料，理论上具有高比容量(1005mAhg^-1)，远高于商用石墨负极材料(372mAhg^-1)，同时其具有合适的工作电压，因而被认为是最有潜力的高容量负极材料之一。

现有技术中，合成三氧化二铁的方法通常采用二价铁离子或三价铁离子作为铁源，通过水解或使用模板试剂的方法来合成纳米三氧化二铁，但这些方法制备的三氧化二铁作为锂离子电池负极材料还存在一些亟待解决的问题，如：在锂离子电池的充放电过程中，三氧化二铁和锂离子结合生成的铁锂化合物会导致负极材料体积膨胀，破坏电极结构，使负极材料的可逆性能变差，循环性能下降，电池容量衰减剧烈，该问题严重限制了三氧化二铁作为锂离子电池负极材料的规模化应用。中国专利(公开号为CN106025263A)公开了一种三氧化二铁纳米材料及其制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池，将三氧化二铁纳米片组装成纳米管，一定程度上提升了三氧化二铁材料的电化学性能，但三氧化二铁材料的倍率性能无提及，整体电化学性能有待进一步提高。

现有技术中的三氧化二铁材料，已有的研究报道大多集中于纳米尺寸三氧化二铁负极材料，虽然纳米尺寸效应可以使三氧化二铁颗粒在电池充放电循环过程中体积膨胀有较大程度的缓解，但从工业化实际应用的角度，纳米尺寸的三氧化二铁易于团聚，加工性能差，难以大规模生产，以及存在比表面积大，副反应较多导致库伦效率低等问题。中国专利(公开号为CN 106129377A)公开了一种三氧化二铁/石墨烯复合材料的制备方法，三氧化二铁负载在三维石墨烯表面和孔道结构中，将其应用于锂离子电池负极时电池容量得到提高，但其制备方法繁琐，不易进行工业化操作。

发明内容

针对现有三氧化二铁材料作为锂离子电池负极材料使用过程中存在体积膨胀导致循环稳定性差，导电性差的问题，本发明的目的旨在提供一种具有特殊石榴型结构，且具有微纳尺寸的三氧化二铁，该三氧化二铁不易团聚，加工性能更好，且作为锂离子负极材料使用过程中能有效缓解充放电过程中三氧化二铁负极材料的体积变化，提高负极材料的导电性。

本发明的第二个目的在于提供一种流程短、操作简易、高效、低成本的制备石榴型结构三氧化二铁材料的方法，该方法有利于大规模生产。

本发明的第三个目的在于提供所述三氧化二铁材料在锂离子电池中的应用，将其作为负极活性材料制备锂离子电池负极，可以显著改善电池的容量、倍率与循环性能。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种石榴型结构三氧化二铁，由微米级三氧化二铁外壳包裹纳米级三氧化二铁小球构成。

本发明的三氧化二铁具有特殊的石榴型结构，石榴型结构指的是其形貌像石榴，包括微米级球形外貌，剥开球壳层可以看到许多纳米级的三氧化二铁小球，这种结构形象地描述成石榴型结构。这种石榴型结构可缓解三氧化二铁负极活性材料在充放电过程中体积膨胀带来的不利影响，有助于进一步改善负极材料的电化学性能。