一种铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁

【技术实现步骤摘要】
一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于钾离子电池负极材料
，涉及一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会经济水平的不断提高，电子设备迎来蓬勃发展，对高能电池的需求急剧增加。由于锂资源的限制，高容量的钠离子和钾离子电池因其材料丰富、成本低廉而备受关注。钾离子的还原电势(
‑
2.93V)与钠离子(
‑
2.71V)相比更加接近锂离子(
‑
3.04V)，且溶剂化的钾离子半径较小，因此用Na
+
和K
+
代替Li
+
，有望显示出比Li
+
更好的传输特性。然而，钾离子电池也存在着一些比较难攻克的弊端。例如，由于钾离子半径要远大于锂离子，导致钾离子电池在充放电过程中易发生体积膨胀从而使电极材料结构坍塌、电极粉化。钾离子具有类似锂离子的标准还原电位，氧化还原的高电势会使电解质一部分分解或发生副反应。因此，寻找具有良好循环性能的高容量负极材料是钾离子电池发展的一个迫切方向。
[0003]过渡金属氧化物的电化学反应遵循转化型反应机理，因其自身性质在充放电过程中参与氧化还原反应的电子较多而具有较高的理论容量。在不同的过渡金属氧化物中，Fe2O3由于成本低、天然丰度高、无毒和热力学稳定等特点引起研究者们的关注。然而，Fe2O3负极材料循环稳定性差、速率能力差、低比表面积和导电性差等缺点限制其应用。提高金属氧化物负极材料的导电性和循环稳定性，是其在钾离子电池中应用的关键。
[0004]通过不断的研究，发现合理的结构设计，如使材料纳米化在一定程度上可以避免上述问题的发生。近年来关于各种过渡金属氧化物的纳米形貌结构被相继报道，用来改善负极材料的电化学性能。另外一种提升过渡金属氧化物电化学性能的常用手段就是与其他材料进行复合，如碳，导电聚合物，无定形硅等材料。这些材料可以稳定粒子表面的固体电解质界面，起到缓冲作用，保证充放电前后粒子的完整性，从而提高材料的电化学性能。通过这些手段，开发一种高性能氧化铁钾离子电池负极具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法。通过静电纺丝技术和退火处理得到铁
‑
氧化铁/碳纳米纤维复合材料，该方法过程简单、易于控制，所制备的样品作为负极材料应用于钾离子电池，能使钾离子电池的电化学性能进一步提高。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合钾离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：将造孔剂和聚合物按一定比例加入到N，N二甲基甲酰胺中加热搅拌，得到透明粘稠状液体。
[0009]步骤二：将铁源化合物按比例加入到步骤一得到的透明粘稠状液体中搅拌，得到
红色粘稠状液体。
[0010]步骤三：将步骤二得到的红色粘稠状液体转移至注射器中设置参数进行静电纺丝得到复合纤维膜。
[0011]步骤四：将步骤三得到的复合纤维膜进行预氧化处理得到预氧化膜。
[0012]步骤五：将步骤四得到的预氧化膜在惰性气体气氛中进行退火处理，最终得到铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料。
[0013]作为本专利技术优选方案，所述步骤一中造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯。
[0014]作为本专利技术优选方案，所述步骤一中聚合物为聚乙烯醇。
[0015]作为本专利技术优选方案，所述步骤一中铁源化合物为乙酰丙酮铁。
[0016]作为本专利技术优选方案，所述步骤一中搅拌温度为60℃，搅拌时间为12～24h。
[0017]作为本专利技术优选方案，所述步骤二中搅拌温度为常温，搅拌时间为8～12h。
[0018]作为本专利技术优选方案，所述步骤四中预氧化温度为280℃。
[0019]作为本专利技术优选方案，所述步骤五中煅烧温度为600℃～800℃，从室温升至目标煅烧温度的升温速率为3～5℃/min。
[0020]由于采用本专利技术技术方案后，所取得的有益效果如下：
[0021]1、本专利技术中制备的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料，制备工艺简单、重复性高。
[0022]2、所制备的复合材料中，氧化铁为纳米颗粒，颗粒均匀分布在多孔碳纤维结构中，单质铁进一步增加了复合材料的导电性。
[0023]3、铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料经过退火处理后仍具有很好的柔韧性和可弯曲性。
[0024]4、所制备的材料结构稳定，在空气中不易氧化，易于储存，可直接作为电池负极，不需要导电剂和粘结剂辅助。
[0025]5、该负极材料应用于钾离子电池中，具有优异的电化学性能，在0.5A g
‑
1电流密度下循环150周后容量保持率高达41％，具有优异的循环寿命和倍率性能。
[0026]本专利技术适用于钾离子电池负极材料。
[0027]下面将结合说明书附图对本专利技术的具体实施方案进一步详细说明。
附图说明：
[0028]图1为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料未经退火处理样品的SEM图；
[0029]图2为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的SEM图；
[0030]图3为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的TEM图；
[0031]图4为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的XRD图；
[0032]图5为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品Fe 2p的XPS图；
[0033]图6为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品O 1s的XPS图；
[0034]图7为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的拉曼图；
[0035]图8为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的N2吸附/脱附等温曲线图和孔径分布图(插图)；
[0036]图9为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料样品的热重图；
[0037]图10为本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料作为钾离子电池负极的倍率图；
[0038]图11本专利技术实例1所制的铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料作为钾离子电池负极的循环性能图。
具体实施方式
[0039]为了使本专利技术实施例的技术方案、优点和最终目的更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将造孔剂和聚合物按一定比例加入到N，N二甲基甲酰胺中加热搅拌，得到透明粘稠状液体；步骤二：将铁源化合物按比例加入到步骤一得到的透明粘稠状液体中搅拌，得到红色粘稠状液体；步骤三：将步骤二得到的红色粘稠状液体转移至注射器中设置参数进行静电纺丝得到复合纤维膜；步骤四：将步骤三得到的复合纤维膜进行预氧化处理得到预氧化膜；步骤五：将步骤四得到的预氧化膜在惰性气体气氛中进行煅烧处理，最终得到铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯，聚合物为聚乙烯醇，所述步骤二中铁源化合物为乙酰丙酮铁。3.根据权利要求2所述的一种铁
‑
氧化铁/多孔碳纳米纤维复合钾离子电池负极材料的制备，其特征在于：所述步骤一和步骤二中造孔剂、聚合物、N，N二甲基甲酰胺与铁源化合物的质量比为：(0.50～1.50g)∶(0.50～1.50...

【专利技术属性】
技术研发人员：石海婷，吴青青，徐志伟，梁帅统，王硕，曾鸣，裴晓园，邵瑞琪，刘胜凯，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：