[发明专利]一种Fe3O4纳米晶锂离子负极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料领域，本发明公开了一种Fe₃O₄纳米晶锂离子负极材料的制备方法，包括以下步骤：将含铁化合物、丙三醇、十八烷基胺和氯化钠在反应釜中混合均匀，在反应釜中升温反应；反应后离心分离，重复清洗，最后将纳米晶体超声分散于乙醇中。本发明制备方法简单，且可使Fe₃O₄纳米晶尺寸、形貌可控，所得的锂离子负极材料在1A g^‑1电流密度下循环300次后放电容量最高可达785.1mAh g^‑1。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，更具体地说，涉及一种高性能Fe₃O₄纳米晶锂离子负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，可充放电锂离子电池凭借他们的高能量密度，长循环寿命和环境友好性成为潜在的电动/混合动力汽车以及间歇性的可再生能源的能量存储和转换设备。为了满足对低费用和高性能锂离子电池越来越迫切的需求，大量工作致力于具有高电化学活性和可逆性的电极材料的开发工作。作为下一代最有希望的氧化还原型负极材料，由于Fe₃O₄与目前商业化的石墨材料相比具有更高的理论容量(926mAh g^-1)，环境友好性以及丰富的资源储备，近几年来成为研究的热点。然而，其在锂离子电池中的大规模应用仍然被低电导率，巨大的体积变化以及Fe₃O₄颗粒的容易团聚所导致的低循环稳定性和倍率容量限制。最近，研究表明Fe₃O₄的{100}面只含有2个Fe³⁺，而{111}面含有3.75Fe³⁺，说明{111}面比{100}面含有更多的Fe³⁺。而含有更多Fe³⁺的{111}面更有利于电子传导和与锂离子的氧化还原化学反应的进行。因此，由{111}面构成的Fe₃O₄八面体更易于与锂离子发生反应，从而比其他形貌更易获得高充放电容量。此外，尺寸小的Fe₃O₄纳米晶具有更高的比表面积，即更易于与电解质接触发生电化学反应，从而利于充放电容量的提高。因此，Fe₃O₄纳米晶尺寸和形貌的控制为高性能锂离子电池负极材料的开发提供了一条新思路。

但是，到目前为止，Fe₃O₄纳米晶的尺寸与形貌可控制备仍然是一个难题。虽然利用热分解法、溶剂热法等途径通过溶剂，表面活性剂以及复杂的反应温度、时间等因素调控已经初步实现Fe₃O₄纳米晶的形貌控制。但是，由于实验条件的敏感性导致Fe₃O₄纳米晶尺寸、形貌容易出现波动。例如F.Y.Jiang等人通过微波辅助的溶剂热法也只得到了形貌尺寸不均匀的立方形Fe₃O₄纳米晶，但未实现其他形貌和尺寸的可控制备。而Rongrong Shi等人通过调控包括表面活性剂的种类、配比以及助剂的注入温度等因素来实现尺寸控制，但尺寸范围仅在20nm以下，且未实现形貌的调控。因此，本发明通过基于一种溶剂热方法，通过成核窗口的控制和Cl离子对Fe₃O₄晶体表面的选择性吸附调控纳米晶尺寸与形貌，而不需要复杂的材料选择和因素调控，将有利于设计下一代高倍率锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能Fe₃O₄纳米晶锂离子负极材料及其制备方法。该材料的制备方法简单，且可使Fe₃O₄纳米晶尺寸、形貌可控，所得的锂离子负极材料具有较高的电化学活性和循环稳定性。

本发明提供一种形貌可控的Fe₃O₄纳米晶锂离子负极材料的制备方法，包括如下步骤：