[发明专利]一种多级γ-Fe2O3/C纳米片负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种多级γ‑Fe₂O₃/C纳米片负极材料的制备方法。本发明以微波法反应生成多级纳米片的前驱体，之后将其转移至高温炉中进行高温烧结，得到了具有多级γ‑Fe₂O₃/C纳米片负极材料。本发明制备方法工艺简单，易操作，利于工业化生产，制备出的多级纳米片结构不仅可以缩短锂离子传输距离、提供更多的反应活性位点，还可以缓冲循环过程引起的体积变化和结构应变，应用于锂离子电池，具有优异的可逆锂存储性能。本发明解决了锂离子电池负极材料循环时性能和倍率性能差的问题，是一种很有前景可商业化的锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明提出了一种多级γ-Fe₂O₃/C纳米片负极材料的制备方法，属于锂离子电池负极材料的合成及改性领域。

背景技术

能源是影响社会发展的主要因素，同时也是经济社会发展的基础。锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、且无记忆效应等优点被认为是最理想的储能原件。目前锂离子电池被广泛应用于笔记本电脑、手机、航空航天、电动汽车等领域。

现在能量密度是制约锂离子电池发展的重要因素，作为锂离子电池核心之一的负极材料具有很大的改进空间，目前石墨作为商用负极材料的理论比容量只有372mAh·g^-1，并且石墨作为负极材料与有机溶液的相容性较差、安全性也较差。因此，很有必要寻找新型负极材料以取代石墨。

Fe₂O₃作为最重要的过渡金属氧化物之一，因成本低、资源丰富、环境友好等优点已被认为是最有前景的负极材料，其作为锂离子电池负极材料具有超高的理论比容量。然而，Fe₂O₃作为负极材料导电性较差，且电池充放电过程中剧烈的体积变化导致了Fe₂O₃循环稳定性较差。为克服这些障碍，有效方法之一就是选择合适的晶相并设计合成具有超高比表面积的纳米结构以增加反应活性位点。迄今为止，包括磁铁矿Fe₃O₄、赤铁矿(α-Fe₂O₃)和η-Fe₂O₃在内的多种晶相和多种形貌的氧化铁均已用于锂离子电池负极的研究。其中γ-Fe₂O₃晶相中存在很多空位，理论表明空位越多，离子状态越活跃，导电性也较好，故γ-Fe₂O₃相比其他晶相导电性要好，因此选择了γ-Fe₂O₃作为研究对象。

多级纳米片因其独特的物理、化学特性等已经引起广泛的研究兴趣，多级纳米片结构能够为电极和电解液提供更大的接触面积，可以有效抑制和缓冲循环过程中的体积膨胀及应力变化。此外，多级纳米片结构增大了电极和电解液的接触面积，加速了电解液的渗透同时促进了锂离子的传输。因此，多级纳米片的构造是一种实现高性能锂离子电池很有前景的方法。另一种提升电池性能的方法是复合，将碳材料整复合到γ-Fe₂O₃活性材料中组成复合纳米结构，碳材料的存在一方面提高了电极材料的导电性；另一方面，碳材料和γ-Fe₂O₃/C多级纳米片的协同作用可以有效缓解体积应变，从而共同促进了锂离子电池的性能的提升。本发明在这两种方法的基础上做了进一步改良，其中极少部分碳用于还原Fe³⁺得到Fe²⁺，这是借助 N型半导体理论，当电极材料中同时存在Fe³⁺和极少量Fe²⁺，可以实现电子在铁的两种氧化态之间的迅速转移，从而大大降低其电阻率。因此本发明有效结合了多级纳米片结构、碳包覆和N型半导体的优点，共同提升了锂离子电池的性能。