一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种四氧化三铁‑碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将购买的碳纳米管分散在浓硝酸(质量分数65％‑68％)中，进行高温酸处理之后清洗干燥备用；步骤二：将酸处理过的碳纳米管分散到去离子水中；步骤三：将六水三氯化铁、尿素、聚乙烯吡咯烷酮加入步骤二所得混合液中，然后加入作为还原剂的酒石酸钠钾，充分搅拌溶解；步骤四：然后将步骤三所得的混合液倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封加热后，洗涤干燥得到纳米复合材料。金属氧化物纳米材料连接在大比表面积碳材料的表面，碳材料结构稳定性能够承受体积变化带来的应力，克服纳米金属氧化物活性物质的导电性差的缺点，使复合材料获得优良的锂电性能。

Preparation of a Fe3O4-Carbon Nanotube Lithium Battery Anode Material

The invention discloses a preparation method of a ferrous oxide carbon nanotube lithium battery anode material, which comprises the following steps: first, dispersing the purchased carbon nanotubes in concentrated nitric acid (65%68%) and cleaning and drying them after high temperature acid treatment; second, dispersing the acid-treated carbon nanotubes into deionized water; third, chlorinating hexahydrate and trichloride. Iron, urea and polyvinylpyrrolidone were added into the mixture obtained in step 2, then potassium tartrate was added as reducing agent to stir and dissolve. Step 4: Then the mixture obtained in step 3 was poured into the stainless steel reactor lined with polytetrafluoroethylene, sealed and heated, washed and dried to obtain nanocomposite materials. Metal oxide nanomaterials are connected to the surface of carbon materials with large specific surface area. The structural stability of carbon materials can withstand the stress caused by volume change, overcome the shortcomings of poor conductivity of nano-metal oxide active materials, and make the composites obtain excellent lithium electrical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法
本专利技术涉电池纳米材料领域，具体地说是一种磁性纳米四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法。
技术介绍
随着当今社会的不断进步，电子信息技术、航空航天、现代化武器装备以及混合动力汽车、电动力汽车技术迅猛发展，对新型化学电源，尤其是高能量密度的二次电池的需求十分迫切。开发容量高，充放电功率大，循环寿命长，环境友好和低成本的化学电源就成了全世界科技工作者共同研究的课题。因此选择高效的绿色能源实现可持续发展是我们的必然选择。锂离子电池在电源中表现突出，开路电压比较高、能量密度大、循环性能好，使用时间长，对环境的污染小，有比较大的温度使用范围等，在新型能源中成为热点。锂离子电池在加工工艺上有优势，它可做各种形态、各种尺寸，非常便于使用，满足多种需求，并且是能够循环使用的可充电电池，在使用过程中非常环保，安全系数高。在锂离子电池众多的负极材料之中，由于碳材料具有制造成本低廉、电极电位低、循环性能优良以及安全系数高等特点，是目前应用最为广泛的，主要有石墨类、无定形类等。其中，碳纳米管是中空管状结构，其比表面积大、长径比大、质量轻、抗拉强度高、具备量子传输特性等优点而受到科研工作者的重视，最近大尺寸碳纳米管的成功研制，更是促进了人们对碳纳米管独特的物理化学性质探索的热情。碳纳米管作为负极材料也吸引了广泛的关注。碳纳米管可以作为惰性添加剂，由于其优良的导电性，比表面积高，超薄的管壁和结构的灵活以及稳定性，碳纳米管作为添加剂在构建纳米复合材料中的作用十分突出。其大的比表面积可以确保电解质与电极之间有效的接触面积，超薄管壁以及中空结构缩短锂离子扩散的距离。此外，碳纳米管互相缠绕接触形成独特的导电网络，为电子传递提供优良连续的导电通路。碳纳米管不仅可以作为导电材料，在快速充放电过程中还能够作为优秀的惰性组分来缓冲适应体积变化产生的压力。金属氧化物纳米材料是负极材料的新方向，纳米材料具有许多新的不同于块体的优点，纳米尺寸的材料在充放电过程中具有更稳定的结构和更优越的储锂能力，纳米尺寸的电极材料，比表面积大，尺寸小，缩短了锂离子在材料中的扩散的距离，有利于大功率充放电反应的进行，能够在充放电过程中更好的保持结构的完整性。由于其尺寸特征金属氧化物纳米材料的表面存在的张力非常大，在一定程度上能够减弱锂离子嵌入和脱出对材料造成的体积来回伸缩变化，保持在反复充放电过程中电极的完整，使电池的表现更加优良，增大应用范围。金属氧化物纳米材料由于独特的尺寸特征，在活性物质表面能够提供更多的有效接触点，其表面结构特征又为锂离子的扩散提供了更多路径，能够有效地减弱在反复充放电过程中电极容易出现的电极极化，使其锂电性能更加优异。四氧化三铁是自然界中储量非常大的一种常见的铁的氧化物，多以磁铁矿的形态存在于矿石中，熔点为1597℃，密度为5.17g/cm3，常温下的亚磁铁性很强，导电率比较高，过去常用于制造录音磁带和电讯器材。作为负极材料，四氧化三铁具有比容量高、自然储量丰富及对环境无害等优点，但是在充放电过程中还容易发生活性物质团聚以及破碎粉化等现象，使电池的不可逆容量高、难以保证长循环平稳性能。将金属氧化物纳米材料连接在大比表面积碳材料的表面，碳材料结构稳定性能够承受体积变化带来的应力，克服纳米金属氧化物活性物质的导电性差的缺点，使复合材料获得优良的锂电性能。在单纯的四氧化三铁电极中，反复充放电过程中锂离子的嵌入和脱出会引起四氧化三铁纳米颗粒体积的膨胀和收缩，导致四氧化三铁纳米颗粒之间接触不良，电极导电性变差，阻碍充放电反应，而加入纳米碳管可以起到连接它们的作用，构建三维导电网络结构，使附着在碳纳米管上的金属颗粒之间能够有很有效的接触，从而提高了循环性能；碳纳米管巨大的表面积还可以将四氧化三铁纳米颗粒均匀的分散固定在表面，阻止了充放电过程中颗粒的团聚，增强了负极材料结构的稳定性，使材料能保持稳定的性能。为了得到性能优良的负极材料，需要一种方法将四氧化三铁纳米颗粒与碳纳米管(MWNTs)复合在一起得到四氧化三铁纳米颗粒与碳纳米管复合材料(Fe3O4/MWNTs)。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，将金属氧化物纳米材料连接在大比表面积碳材料的表面，碳材料结构稳定性能够承受体积变化带来的应力，克服纳米金属氧化物活性物质的导电性差的缺点，使复合材料获得优良的锂电性能。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将购买的碳纳米管分散在浓硝酸(质量分数65％-68％)中，进行高温酸处理之后清洗干燥备用；步骤二：将酸处理过的碳纳米管分散到去离子水中，；步骤三：将六水三氯化铁、尿素、聚乙烯吡咯烷酮加入步骤二所得混合液中，然后加入作为还原剂的酒石酸钠钾，充分搅拌溶解，其中六水三氯化铁：尿素：酒石酸钠钾的质量比为3.8～4.5：8～11：5～7；六水三氯化铁作为磁性四氧化三铁的原料，其投入量决定着附着在碳纳米管上的磁性四氧化三铁颗粒的厚度，尿素为三价铁离子的转化提供碱性环境，酒石酸钠钾作为还原剂，与三价铁离子的比例也要严格控制，保证了被还原的三价铁离子的量。步骤四：然后将步骤三所得的混合液倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封加热到180-210℃，保温10-15h，洗涤干燥即可得到所述的纳米复合材料。所述步骤一中高温酸处理具体操作为：将分散有碳纳米管的浓硝酸在140℃温度下保温6小时。步骤二和步骤三中碳纳米管：六水三氯化铁：聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～1.2：3.8～4.5：18～25，步骤一中，所述的清洗是用去离子水和乙醇交替反复洗涤至滤液为中性(PH＝6.8～7.2)；聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂其含量不需要严格要求。所述步骤四中，将混合液在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中密封加热到200℃，保温12小时。待其冷却至室温后，用去离子水和乙醇交替反复离心洗涤不少于5次，将得到的磁性的黑色产物在真空干燥箱中55-70℃，干燥24-36小时。本专利技术的有益效果是：1、金属氧化物纳米材料连接在大比表面积碳材料的表面，碳材料结构稳定性能够承受体积变化带来的应力，克服纳米金属氧化物活性物质的导电性差的缺点，使复合材料获得优良的锂电性能。2、在单纯的四氧化三铁电极中，反复充放电过程中锂离子的嵌入和脱出会引起四氧化三铁纳米颗粒体积的膨胀和收缩，导致四氧化三铁纳米颗粒之间接触不良，电极导电性变差，阻碍充放电反应，而加入纳米碳管可以起到连接它们的作用，构建三维导电网络结构，使附着在碳纳米管上的金属颗粒之间能够有很有效的接触，从而提高了循环性能；碳纳米管巨大的表面积还可以将四氧化三铁纳米颗粒均匀的分散固定在表面，阻止了充放电过程中颗粒的团聚，增强了负极材料结构的稳定性，使材料能保持稳定的性能。3、步骤一目的是使碳纳米管表面附着羟基、羧基等活性基团，使得表面容易进行化学反应，为四氧化三铁颗粒提供生长点。4、六水三氯化铁作为磁性四氧化三铁的原料，其投入量决定着附着在碳纳米管上的磁性四氧化三铁颗粒的厚度，尿素为三价铁离子的转化提供碱性环境，酒石酸钠钾作为还原剂，与三价铁离子的比例也要严格本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四氧化三铁‑碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤一：将的碳纳米管分散在质量分数为65％‑68％的浓硝酸中，进行高温酸处理之后清洗干燥备用；步骤二：将酸处理过的碳纳米管分散到去离子水中；步骤三：将六水三氯化铁、尿素、聚乙烯吡咯烷酮加入步骤二所得混合液中，然后加入作为还原剂的酒石酸钠钾，充分搅拌溶解，其中六水三氯化铁：尿素：酒石酸钠钾的质量比为3.8～4.5：8～11：5～7；步骤四：然后将步骤三所得的混合液倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封加热到180‑210℃，保温10‑15h，洗涤干燥得到所述的纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤一：将的碳纳米管分散在质量分数为65％-68％的浓硝酸中，进行高温酸处理之后清洗干燥备用；步骤二：将酸处理过的碳纳米管分散到去离子水中；步骤三：将六水三氯化铁、尿素、聚乙烯吡咯烷酮加入步骤二所得混合液中，然后加入作为还原剂的酒石酸钠钾，充分搅拌溶解，其中六水三氯化铁：尿素：酒石酸钠钾的质量比为3.8～4.5：8～11：5～7；步骤四：然后将步骤三所得的混合液倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封加热到180-210℃，保温10-15h，洗涤干燥得到所述的纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁-碳纳米管锂电池负极材料的制备方法，其特征是，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓宇，岳增武，邵明星，刘爽，荆象阳，傅敏，胡新芳，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37