[发明专利]一种预留空间的三氧化二铁@聚吡咯复合电极材料的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种电极材料的制备方法，具体地说是一种预留空间的三氧化二铁聚吡咯复合电极材料的制备方法。

二、背景技术

聚吡咯(PPy)导电聚合物具有良好的导电性能、环境友好，且具有聚合电位低、电导率高、稳定性好等优点。虽然导电聚合物具有可快速高效放电、不需要充放电控制电路、使用寿命长、温度范围宽、不污染环境等特点，但真正商业应用的电极材料品种还不多，价格也较高。今后重点应放在合成新材料，寻找具有优良掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。

导电聚合物和无机材料在分子水平上的复合，使它们能最大程度地发挥各自的优势。铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料。在众多铁氧化物中，研究者关注的电极材料主要集中于α-Fe₂O₃，其理论容量高(1005mAh/g)，但循环性能差，这与α-Fe₂O₃的导电性能差有关(α-Fe₂O₃的室温电导率为1x10^-10Ω^-1m^-1，为典型的Mott绝缘体)。

三、发明内容

本发明旨在提供一种预留空间的三氧化二铁聚吡咯复合电极材料的制备方法，所要解决的技术问题是提高电极材料的循环使用寿命。

本发明将α-Fe₂O₃与PPy复合，结合两种材料的优点，通过原为聚合法合成出管状α-Fe₂O₃PPy复合电极材料，管状结构比表面积大，具备很强的储锂潜力，并用酸腐蚀该复合材料，使所得的复合电极材料在锂离子嵌入和嵌出的过程中，保持原有的晶格结构，显著改善电极材料的循环使用寿命。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明预留空间的三氧化二铁聚吡咯复合电极材料的制备方法，包括三氧化二铁纳米管的制备、原位聚合以及酸浸各单元过程：

所述三氧化二铁纳米管的制备是将0.1-0.9mol/L的氯化铁(FeCl₃·6H₂O)溶液1mL-2mL与0.01-0.04mol/L的磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄)溶液1mL-2mL混合并转移到容量为50mL的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，用蒸馏水稀释至总体积为40mL，保持温度150-250℃，加热1h-48h。逐渐冷却至室温后，抽滤，洗涤，得到化三氧化二铁纳米管。

所述原位聚合是将三氧化二铁纳米管0.1mmol-0.5mmol、赖氨酸(L-Lysine)0.01g-0.04g和吡咯单体0.0048g-0.0288g混合，在引发剂过硫酸铵((NH₄)₂S₂O₈)0.02g-0.06g的存在下于室温超声搅拌反应4小时，得到复合电极材料；

所述酸浸是将制备的复合电极材料浸入0.1-2mol/L的盐酸溶液中1-48小时，过滤并洗涤后得到预留空间的复合电极材料，使所得的预留空间的复合电极材料在锂离子嵌入和嵌出的过程中，保持原有的晶格结构，增加循环使用寿命。

本发明反应机理如下：

α-Fe₂O₃纳米管在水溶液中显弱碱性，表面带负电荷；赖氨酸(L-Lysine)是一种碱性蛋白质，其表面的氨基水解带正电荷，它作为一种表面修饰剂，通过正负电荷相互吸引的作用将α-Fe₂O₃纳米管的表面修饰为亲油基团，单体吡咯为有机物具有亲油性，加入的单体吡咯根据相似相容原理吸附在α-Fe₂O₃纳米管表面的亲油有机链上，并在过硫酸铵(APS)的引发作用下在α-Fe₂O₃纳米管的表面发生原位聚合，生成α-Fe₂O₃PPy纳米管复合电极材料。

预留空间是指酸浸过程中盐酸腐蚀掉三氧化二铁聚吡咯复合电极材料中部分α-Fe₂O₃纳米管后，所得到三氧化二铁聚吡咯复合电极材料中的空白部分。如图3(c)中箭头所指的空白区域。