本发明专利技术公开了一种锂离子电池用氧化铁负极材料的制备方法，属于新材料和电化学领域。本发明专利技术采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备具有干凝胶或气凝胶结构的氧化铁前驱体，并通过热处理工艺，制备出氧化铁负极材料。本发明专利技术还通过碳包覆工艺制备铁氧化物/碳复合材料。本发明专利技术的优点在于制备的材料颗粒粉体细小且均匀，制备工艺过程简单，条件温和，成本较低，便于规模化制备。此方法制备的氧化铁负极材料及铁氧化物/碳复合负极材料具有较高的循环比容量、以及良好的循环稳定性，是一种理想的锂离子电池负极材料，在便携式电子设备、电动汽车以及航空航天等领域具有潜在应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新材料和电化学领域，具体涉及一种新型可充放电锂离子电池氧化铁负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着便携式电子设备和电动交通工具的快速发展，高性能锂离子电池的研究已成为全球关注的焦点。目前商业化的锂离子电池中负极采用的是石墨负极材料，经过大量的改进工作，目前石墨的实际储锂容量已越来越趋近其理论容量(石墨理论容量为372 mAh/g，855 mAh/cm3)，因而进一步提高其比容量的潜力已非常有限。为满足高性能锂离子电池对高容量负极材料的需求，必须研究开发新型高比容量的锂离子电池负极材料。过渡金属氧化物，如Fe203、Fe403、CuO, NiO、CoO等，因其较高的理论比容量和较好的安全性越来越引起研究者们的关注。但过渡金属氧化物由于在脱嵌锂过程中存在较大的体积变化而易产生碎裂粉化，从而使部分活性物质在循环过程中失去有效电接触，使其容量逐渐衰减，循环稳定性较差。因此如何在保持其高比容量特性的同时、提高过渡金属氧化物负极材料的循环稳定性，成为该类负极材料实现实际应用的关键所在。提高氧化物负极材料循环稳定性，常用的手段包括:①制备纳米尺度过渡金属氧化物材料，可以使活性物质在脱嵌锂过程中的体积变化更加均匀，同时还能缩短锂离子的扩散距离，提高电极反应速率，改善电极的循环性能。②制备过渡金属氧化物复合材料，在降低过渡金属氧化物活性相体积效应的同时引入导电性好、体积效应小的活性或非活性物质，通过体积补偿、增加导电性等方式提高电极的循环稳定性。在过渡金属氧化物中，Fe2O3作为锂离子电池负极材料的理论比容量可达1005mAh/g,远远高于石墨负极材料的理论储锂容量。此外，Fe2O3还具有成本低廉、原材料来源丰富、安全环保等优势，是一种十分有潜力的高性能锂离子电池负极材料。为了提高Fe2O3的电化学循环性能，研究者们对其进行了很多的研究。通过制备纳米尺度的具有特殊形貌的Fe2O3材料，提高其电化学循环性能。新加坡南洋理工大学娄雄文研究组以类乳状模板制备了 Fe2O3空心球(B.Wang, et al.Journal of the AmericanChemical Society 133 (2011): 17146-17148)，其首次放电和充电比容量分别为1219和877 mAh/g，循环100次之后仍可维持在710 mAh/g。南开大学陈军研究组以模板法制备Fe2O3 纳米管(J.Chen, et al.Advanced Materials 17 (2005): 582-586),以该材料制成电极具有较高的循环容量。澳大利亚伍伦贡大学王国秀研究组以共聚物为模板剂，通过软模板法制备出介孔Fe2O3材料(B.Sun, et al.Journal of Physical Chemistry C 114(2010): 18753-18761)。该材料具有较高的可逆容量，且具有良好的循环性能和倍率性能。另外王国秀研究组还通过水热法制备了 Fe2O3纳米棒(H.Liu, et al.ElectrochimicaActa 54 (2009): 1733-1736)，电极的首次可逆容量为955 mAh/g。中国科技大学化学系谢毅研究组将FeCl3和无机盐混合后在120 °C水热12 h，再经过真空干燥和热处理步骤制备Fe2O3纳米棒,并测试了材料的电化学性能(C.Wu, et al.Journal of PhysicalChemistry B 110 (2006): 17806-17812)。另外研究者们也致力于制备碳包覆Fe2O3材料来提高电极的循环稳定性。申请号为201110412275.2的专利，以商业粉体Fe2O3和碳材料进行球磨处理结合热处理工艺制备碳包覆铁氧化物负极材料，将该材料制成电极具有较好的循环稳定性，但是容量不高。纵观文献和专利报道，目前对于Fe2O3材料作为锂离子电池负极材料的研究，多采用模板法、水热法或球磨法来制备铁氧化物负极材料，工艺较为复杂，产率低，成本普遍较高。以溶胶-凝胶法制备具有干凝胶或气凝胶结构的氧化铁，结合热处理制备氧化铁纳米负极材料，具有工艺简单、产量大、成本低、便于规模化制备等特点，这对于推进氧化铁负极材料的实际应用具有重要意义。该技术在目前文献中未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种颗粒细小均匀、容量较高、循环性能良好的高容量锂离子电池氧化铁负极材料的制备方法，该方法具有工艺简单、产量大、反应条件温和、成本低、便于规模化制备。本专利技术采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备具有干凝胶或气凝胶结构的氧化铁前驱体，并通过热处理，制备出氧化铁负极材料。还通过碳包覆工艺制备铁氧化物/碳复合材料，使该材料的循环稳定性显著提升。其具体步骤为: (1)配置溶液:选用无机铁盐，称取所需质量，溶解于一定量无水乙醇中，再加入一定量的去离子水，搅拌均匀形成橙黄色溶液； (2)在搅拌条件下，向溶液中滴加一定量的环氧丙烷，均匀搅拌一定时间，静置后形成凝胶； (3)向步骤(2)形成的凝胶中加入无水乙醇进行老化，每隔24h置换无水乙醇，重复2 6次； (4)将步骤(3)中的凝胶进行常压干燥，得到前驱体产物； (5)空气气氛下，将步骤(4)所得的前驱体产物升温至40(T900°C保温I飞h，随炉冷却至室温制得纳米氧化铁负极材料粉体。步骤(I)所述的无机铁盐为FeCl3'FeCl3.6H20、Fe (NO3) 3 和 Fe (NO3) 3.9H20。步骤(I)所述的无水乙醇和去离子水加入量，使得无水乙醇和去离子水与Fe3+的物质的量之比分别控制在:无水乙醇/Fe3+=2(Tl50，去离子水/Fe3+=r20。步骤(2 )所述的环氧丙烷加入量，使得环氧丙烷与Fe3+的物质的量之比控制在:环氧丙烷/Fe3+=5 14。步骤(4)所述的常压干燥为依次在室温和80 0C环境下干燥f 3天。对上述制备过程得到的氧化铁负极材料粉体，通过进行碳包覆工艺，可以制备铁氧化物基碳复合材料。所述的碳包覆工艺包括化学气相沉积法、水热法、溶胶-凝胶法或机械球磨法。本专利技术采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备具有干凝胶或气凝胶结构的氧化铁粉体，并通过热处理，制备出氧化铁负极材料。本专利技术的优点在于制备工艺简单，反应条件温和，成本低，安全环保、便于规模化生产；以此方法制备的氧化铁材料颗粒细小，粒径、成分分布均匀，具有良好电化学性能。对得到的氧化铁材料粉体，进行碳包覆工艺，制备铁氧化物基碳复合材料，材料的循环稳定性显著提升。附图说明图1是实施例1的氧化铁负极材料的首次充放电曲线图。图2是实施例1的氧化铁负极材料的循环容量图。图3是实施例4的铁氧化物/碳复合负极材料的循环容量图。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但并不限定于本专利技术的保护范围: 实施例1: 称取4.8663 g无机铁盐,溶解于100 ml无水乙醇中，再加入5.4 ml去离子水,搅拌均匀形成橙黄色溶液；在搅拌条件下，向溶液中滴加20.97 ml环氧丙烷，均匀搅拌一定时间，静置后形成凝胶；向凝胶中加入无水乙醇进行老化，每隔24 h置换无水乙醇，重复3次；将凝胶在室温下干燥2天，接着放入80 °(:烘箱干燥2天，得到前驱体产物。空气气氛下，将前本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池氧化铁负极材料的制备方法，其特征是由溶胶?凝胶法和常压干燥制备出具备干凝胶或气凝胶结构的氧化铁前驱体，再结合热处理工艺，制备氧化铁负极材料，通过碳包覆工艺，进一步制备铁氧化物/碳复合负极材料，具体工艺步骤为：（1）配置溶液：选用无机铁盐，称取所需质量，溶解于一定量无水乙醇中，再加入一定量的去离子水，搅拌均匀形成橙黄色溶液；（2）在搅拌条件下，向溶液中滴加一定量的环氧丙烷，均匀搅拌一定时间，静置后形成凝胶；（3）向步骤（2）形成的凝胶中加入无水乙醇进行老化，每隔24?h置换无水乙醇，重复2~6次；（4）将步骤（3）中老化后的凝胶进行常压干燥，得到前驱体产物；（5）空气气氛下，将步骤（4）所得的前驱体产物升温至400~900?oC保温1~6?h，随炉冷却至室温制得纳米氧化铁负极材料粉体。
【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池氧化铁负极材料的制备方法，其特征是由溶胶-凝胶法和常压干燥制备出具备干凝胶或气凝胶结构的氧化铁前驱体，再结合热处理工艺，制备氧化铁负极材料，通过碳包覆工艺，进一步制备铁氧化物/碳复合负极材料，具体工艺步骤为: (1)配置溶液:选用无机铁盐，称取所需质量，溶解于一定量无水乙醇中，再加入一定量的去离子水，搅拌均匀形成橙黄色溶液； (2)在搅拌条件下，向溶液中滴加一定量的环氧丙烷，均匀搅拌一定时间，静置后形成凝胶； (3)向步骤(2)形成的凝胶中加入无水乙醇进行老化，每隔24h置换无水乙醇，重复2 6次； (4)将步骤(3)中老化后的凝胶进行常压干燥，得到前驱体产物； (5)空气气氛下，将步骤(4)所得的前驱体产物升温至40(T900°C保温I飞h，随炉冷却至室温制得纳米氧化铁负极材料粉体。2.根据权利要求1所述的锂离子电池氧化铁负极材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)所述的无机铁盐为 FeCl3' FeCl3...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵海雷，吕鹏鹏，李兴旺，王捷，曾志鹏，刘欣，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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