[发明专利]一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用

说明书

本发明涉及一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用，复合材料的制备方法包括以下步骤：1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化即可；该复合材料用于锂离子电池负极材料。与现有技术相比，本发明原料具有可设计性，成本低廉，且通过高温煅烧碳化的方法制备石墨烯基氧化铁复合材料，煅烧过程中石墨烯三维结构的组装与氧化铁在石墨烯骨架中能够完美融合，方法简便；制备出的石墨烯基氧化铁复合材料具有高的可逆容量，非常好的循环稳定性和倍率性能，在可充电电池领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于材料科学和电化学技术领域，涉及一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用。

背景技术

高性能锂离子电池(LIBs)具有功率密度大、能量密度大、循环寿命长等特点，是发展便携式电子设备快速升级、电动汽车、电网储能等大规模应用的关键。然而，目前商业化的锂电池主要采用石墨作为负极，容量低(372mAh/g)，速率性能较差，无法满足这一需求。因此，金属氧化物和金属硫化物等高容量负极材料的开发受到了极大的重视。

开发具有高容量、长寿命和优异倍率性能的负极材料是目前的研究锂离子电池工作的当务之急。其中，以Fe₂O₃为代表的金属氧化物因其理论容量大、自然丰度大、环境友好性好而受到广泛关注。然而，金属氧化物作为锂离子电池的负极材料存在一些普遍的问题，并在很大程度上影响了锂离子电池的电化学性能。例如其导电性差，不利于金属氧化物中Li+插入/脱插入反应的充分、快速电化学。电化学反应过程中体积膨胀和收缩过大，导致金属氧化物粉碎化和聚集，循环寿命较短，活性金属氧化物的利用率较低等。

因此，为了获得理想的电化学性能，需要对金属氧化物和整个电极进行优化设计。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；

2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；

3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化，即得到所述的复合材料。

进一步地，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液的浓度为0.4-0.6mol/L，所述的氧化石墨烯溶液的浓度为1.5-2.5mg/mL。亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合后加入水，既能够使混合溶液达到合适的浓度配比，又能够使混合溶液可以更好地分散均匀。

进一步地，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(5-8)，所述的水与氧化石墨烯溶液的体积比为(0.8-1.2):1。

进一步地，步骤2)中，每100mL混合溶液中加入5-10g氯化铁。

进一步地，步骤2)中，所述的水热反应过程中，温度为180-220℃，时间为12-24h。

进一步地，步骤3)中，所述的洗涤过程为：将气凝胶在水中浸泡洗涤；所述的干燥为冻干。

进一步地，步骤3)中，所述的高温碳化过程中，温度为250-300℃，时间为3-4h。

进一步地，步骤3)中，所述的高温碳化过程在空气氛围中进行。

一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料，该复合材料采用所述的方法制备而成。