專(zhuān)利名稱(chēng)：鋰離子電池負(fù)極材料Fe₂O₃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子科技和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是各種便攜式電子設(shè)備，如移動(dòng)電話(huà)、攝像機(jī)、筆記本電腦等向高性能、小型化的方向發(fā) 展，人們需要高性能的電源作為動(dòng)力保障。鋰離子電池由于具有高電壓、高能量密度、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、小型攝像機(jī)等電器設(shè)備上，在電動(dòng)汽車(chē)、衛(wèi)星、航天航空以及空間軍事等領(lǐng)域也顯示出了良好的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。目前的鋰離子電池比能量受限于正、負(fù)極材料的比容量，一般只能達(dá)到80-150 WhKg-1,很難滿(mǎn)足智能設(shè)備、智能電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)等新技術(shù)對(duì)二次電池比能量的苛刻要求。目前商業(yè)化的鋰離子電池主要采用石墨類(lèi)負(fù)極材料，由于石墨的理論嵌鋰容量?jī)H為372 mA hg_\而且實(shí)際應(yīng)用的材料已達(dá)到370 mA h g_\因此該類(lèi)材料在容量上幾乎已無(wú)提升空間。為了提高鋰離子電池的比容量，各種新型的高能負(fù)極材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中，過(guò)渡金屬氧化物Co3O4, NiO，F(xiàn)e3O4, Fe2O3, CuO性能研究備受關(guān)注。過(guò)渡金屬氧化物充放電過(guò)程發(fā)生的是轉(zhuǎn)化反應(yīng)MOx+ 2xLi++2xe_ = M+xLi20,不同于傳統(tǒng)鋰離子電池材料的插嵌理論。因?yàn)檗D(zhuǎn)化反應(yīng)中每摩爾活性物質(zhì)對(duì)應(yīng)2-6個(gè)電子轉(zhuǎn)移，所以具有比現(xiàn)在商業(yè)用的石墨負(fù)極材料更高的理論比容量。其中，F(xiàn)e2O3由于具有環(huán)境友好，價(jià)格低廉，資源豐富，理論比容量高(1008 mAh g—1)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。但是其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能依然達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。這個(gè)缺陷主要源于循環(huán)過(guò)程中活性物質(zhì)體積的變化和動(dòng)力學(xué)的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高，顆粒大小分布均勻，循環(huán)性能好的鋰離子電池負(fù)極材料Fe2O3及其制備方法。本發(fā)明提出的鋰離子電池負(fù)極材料Fe2O3的制備方法，是以賴(lài)氨酸作為沉淀劑，經(jīng)水熱反應(yīng)，制備得多孔Fe2O3微球，具體步驟為
稱(chēng)取金屬鹽水合物FeCl3 ·6Η20，溶于去離子水中，加入賴(lài)氨酸，作為沉淀劑，攪拌均勻；水熱反應(yīng)溫度為140-200 °C，反應(yīng)時(shí)間為4-12 h ;然后經(jīng)過(guò)水洗、乙醇洗，離心、干燥，得到由納米顆粒堆積出來(lái)的多孔Fe2O3微球。本發(fā)明中，所述賴(lài)氨酸與金屬鹽的質(zhì)量比為1:0. 5-1。由本發(fā)明方法合成出來(lái)的材料是由納米顆粒堆積出來(lái)的多孔Fe2O3微球，應(yīng)用為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，納米結(jié)構(gòu)的電極材料相對(duì)于以往的微米級(jí)材料，不僅縮短了鋰離子和電子的傳輸路徑，而且電解液與電極材料的接觸面積變大使得反應(yīng)速度加快，極大地提高了材料的倍率性能。同時(shí)，納米顆粒自發(fā)堆積成微球，使得材料的體積比容量得到了提高，而且有利于電池制作工藝中涂布過(guò)程的掌控，使得膜的質(zhì)量和厚度可以得到更好的控制。納米顆粒之間形成的孔道，也有利于鋰離子和電子的傳輸和電解液的浸透，同時(shí)也可以緩解材料充放電過(guò)程中體積的膨脹，避免了材料的粉化，從而提高了材料的循環(huán)性能。本發(fā)明方法，以賴(lài)氨酸作為沉淀劑，原料便宜無(wú)毒，工藝簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，產(chǎn)率高，制備的多孔Fe2O3微球結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,大小分布均勻。應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，電化學(xué)性能優(yōu)異。


圖1是本發(fā)明產(chǎn)品的X-射線(xiàn)衍射圖。圖2是本發(fā)明產(chǎn)品的掃描電鏡照片。其中，a，b，c為實(shí)施例1，d為實(shí)施例2，e為實(shí)施例3。圖3是本發(fā)明產(chǎn)品的透射電鏡照片。圖4是本發(fā)明產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)圖不。其中，a為比表面圖，b為孔徑分布圖。圖5是產(chǎn)品的電化學(xué)性能。其中，5a是充放電曲線(xiàn)圖，b是循環(huán)圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。實(shí)施例1 :本例為多孔Fe2O3微球的制備方法，其步驟為
a.稱(chēng)取1. 3515 g的FeCl3 · 6H20加入到30 mL去離子水中，得到澄清的水溶液。b.在磁力攪拌下,加入2 g的賴(lài)氨酸,攪拌30 min。c.將上述溶液倒入50 mL的聚四氟乙烯水熱釜中，180 °(水熱反應(yīng)12 h。d.自然降溫，將離心處理得到的產(chǎn)物分別水洗、醇洗三遍，60 °(真空干燥12 h。本實(shí)施例產(chǎn)品的X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，水熱反應(yīng)所得產(chǎn)物為純相的α _ Fe2O3晶體。本實(shí)施例樣品的掃描電鏡圖和透射電鏡圖見(jiàn)圖2a，b，c和圖3。從其電鏡圖可以看出，所得產(chǎn)物是大小為2 ym的均勻分布的微球。該微球由大小為50 nm左右的納米顆粒堆積出來(lái)，納米顆粒之間形成了孔道結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例產(chǎn)品的比表面積和孔徑分布見(jiàn)圖4。從圖4a中可以看出，在O. 5到1. OΡ/Ρο之間有一個(gè)明顯的滯后圈，比表面積大小為15 m2 g'由圖4b可知所得產(chǎn)物中存在大小為3 nm到10 nm的納米孔。本實(shí)施例產(chǎn)品的電化學(xué)循環(huán)性能見(jiàn)圖5a，b。實(shí)施例2 :除步驟c中的水熱反應(yīng)條件為180 ° C，4 h，其余步驟與實(shí)施例1方法 相同。本實(shí)施例掃描電鏡數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2d。從其掃描電鏡圖可以看出，所得樣品是大小為100nm左右的顆粒。實(shí)施例3 :除步驟c中的水熱反應(yīng)條件為180 ° C，8 h，其余步驟與實(shí)施例1方法相同。本實(shí)施例掃描電鏡圖片見(jiàn)圖2e。從其掃描電鏡圖可以看出，所得樣品既有納米顆粒，又有微球?？梢?jiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，納米顆粒自組裝成微球，以減小表面能。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)，均勻的微球形成 。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池負(fù)極材料Fe2O3的制備方法，其特征在于以賴(lài)氨酸作為沉淀劑，經(jīng)水熱反應(yīng)，制備得多孔Fe2O3微球，具體步驟為 稱(chēng)取金屬鹽水合物FeCl3 ·6Η20，溶于去離子水中，加入賴(lài)氨酸，作為沉淀劑，攪拌均勻；水熱反應(yīng)溫度為140-200 °C，反應(yīng)時(shí)間為4-12 h ;然后經(jīng)過(guò)水洗、乙醇洗，離心、干燥，得到由納米顆粒堆積出來(lái)的多孔Fe2O3微球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述賴(lài)氨酸與金屬鹽的質(zhì)量比為1:0. 5-1。
3.由權(quán)利要求1所述的方法制備得到的鋰離子電池負(fù)極材料Fe203。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋰離子電池負(fù)極材料Fe2O3及其制備方法。本發(fā)明方法的步驟包括稱(chēng)取金屬鹽水合物FeCl3·6H2O，溶于去離子水中，加入賴(lài)氨酸，作為沉淀劑，攪拌均勻；進(jìn)行水熱反應(yīng)；然后經(jīng)過(guò)水洗、乙醇洗，離心、干燥，得到由納米顆粒堆積出來(lái)的多孔Fe2O3微球。本發(fā)明方法，工藝簡(jiǎn)單，原材料便宜無(wú)毒，產(chǎn)率高，重現(xiàn)性好。制備的多孔Fe2O3微球大小均勻，電化學(xué)測(cè)試顯示出較高的比容量和優(yōu)異的循環(huán)性能，克服了該材料作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)循環(huán)性能、倍率性能差的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01G49/06GK103022474SQ201310018469
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者余愛(ài)水, 張晶晶, 黃桃 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)