本發(fā)明涉及一種鋰離子電池用負(fù)極材料鐵酸鎂納米纖維的制備方法，屬于納米材料和化學(xué)電源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋰離子電池是繼鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池之后的又一種可充電電池，由于具有比容量高、開(kāi)路電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)環(huán)境污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，其作為一種新型綠色環(huán)保能源逐漸成為便攜式電子設(shè)備電池的首選，并在動(dòng)力能源領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。負(fù)極材料是影響鋰離子電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵材料之一。傳統(tǒng)的石墨等碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料盡管已經(jīng)商品化，而且在電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性和安全方面比金屬鋰有了很大的進(jìn)步，但由于碳材料的嵌鋰電位與金屬鋰很接近，這很容易充電時(shí)在負(fù)極表面堆積部分鋰離子而形成鋰枝晶，造成安全隱患。與此同時(shí)，由于碳材料在首次充放電過(guò)程中，容易在活性物質(zhì)表面生產(chǎn)固體電解質(zhì)界面膜，由此產(chǎn)生較大的不可逆容量損失和電極與電解液界面阻抗，增大了鋰離子的脫嵌難度。

新型過(guò)渡金屬氧化物，尤其是鐵的氧化物，如Fe₂O₃、Fe₃O₄、CoFe₂O₄和MgFe₂O₄等，由于價(jià)格低廉、儲(chǔ)量豐富且無(wú)環(huán)境污染，是一類頗具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。MgFe₂O₄具有較高的理論比容量(1072mAh/g)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的鋰電池負(fù)極材料，其較高的電壓平臺(tái)可抑制金屬鋰的析出，提高電池的安全性能，并且價(jià)廉低毒，對(duì)環(huán)境友好。目前，關(guān)于MgFe₂O₄鋰離子電池負(fù)極材料的報(bào)道甚少，而且大多通過(guò)水熱、溶膠-凝膠或共沉淀等方法制得。通過(guò)這類方法制得的材料，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示循環(huán)穩(wěn)定性較差，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的首要目的是提供一種鋰離子電池用負(fù)極材料鐵酸鎂納米纖維的制備方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供由上述制備方法得到具有高初始放電容量和穩(wěn)定循環(huán)性能的鋰離子電池用負(fù)極材料MgFe₂O₄納米纖維。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種鋰離子電池用負(fù)極材料鐵酸鎂納米纖維的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于乙醇和N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 的混合溶劑(質(zhì)量比為1∶1)中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～15％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入一定量的乙酸鎂(C₄H₆MgO₄·4H₂O)和硝酸鐵(Fe(NO₃)₃·9H₂O)(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。

(2)將步驟(1)中的均勻溶液在靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜，紡絲電壓為16～25kV，接收距離為15～25cm，紡絲速度為0.5～2.0mL/h。

(3)將步驟(2)中得到的PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至500～900℃，保持溫度3～6h，升溫速率為0.5～5℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

(1)本發(fā)明的鋰離子電池負(fù)極材料MgFe₂O₄納米纖維制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)環(huán)境友好，便于進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)。

(2)本發(fā)明的鋰離子電池負(fù)極材料MgFe₂O₄納米纖維，具有較高的放電平臺(tái)，較大的初始放電容量和相對(duì)穩(wěn)定的循環(huán)性能。

附圖說(shuō)明

圖1MgFe₂O₄納米纖維的X射線衍射圖。

圖2MgFe₂O₄納米纖維負(fù)極材料的循環(huán)性能圖。

經(jīng)過(guò)X射線衍射儀分析(見(jiàn)圖1)，得知所制備樣品為純相的立方體型MgFe₂O₄納米纖維，結(jié)晶度高，無(wú)雜峰。所得樣品經(jīng)過(guò)循環(huán)充放電性能測(cè)試(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)100次之后，仍能保持高達(dá)567mAh/g的放電容量，循環(huán)穩(wěn)定性能較好，說(shuō)明該材料作為一種鋰離子電池負(fù)極材料具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

稱取3.0g的PVP溶解于8.5g DMF和8.5g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.1256g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.4744g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為16cm，紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒， 在空氣氛中從室溫升溫至800℃，保持溫度3h，升溫速率為0.5℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

實(shí)施例2

稱取3.0g的PVP溶解于8.5g DMF和8.5g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.1884g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.7116g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為20kV，接收距離為18cm，紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至800℃，保持溫度3h，升溫速率為1.0℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

實(shí)施例3

稱取2.4g的PVP溶解于8.8g DMF和8.8g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.1884g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.7116g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為20cm，紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至600℃，保持溫度3h，升溫速率為0.5℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

實(shí)施例4

稱取2.4g的PVP溶解于8.8g DMF和8.8g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.1256g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.4744g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為15cm紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至900℃，保持溫度5h，升溫速率為1.0℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

實(shí)施例5

稱取2.4g的PVP溶解于8.8g DMF和8.8g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.2512g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.9488g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為16cm，紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至800℃，保持溫度3h，升溫速率為0.5℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。

實(shí)施例6

稱取3.0g的PVP溶解于8.5g DMF和8.5g乙醇混合溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8～24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.2512g的C₄H₆MgO₄·4H₂O和0.9488g的Fe(NO₃)₃·9H₂O(C₄H₆MgO₄·4H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的摩爾比為1∶2)，繼續(xù)室溫下攪拌5～10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為25kV，接收距離為18cm，紡絲速度為1.0mL/h，得到PVP/C₄H₆MgO₄/Fe(NO₃)₃復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至600℃，保持溫度3h，升溫速率為0.5℃/min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。