[发明专利]一种高温溶剂热一步制备Fe3O4/石墨烯锂离子电池复合负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型锂离子电池负极材料－Fe₃O₄/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

Fe₃O₄又称为磁性氧化铁，是一种由Fe²⁺、Fe³⁺和O^2-组成的反尖晶石结构晶体，其作为锂离子电池负极材料的理论容量为926mAh/g。Fe₃O₄与锂离子可发生如下电极反应：能使Li₂O可逆的储存和释放离子，并且由于其低成本，环境友好等特点作为接替石墨负极材料的候选者而引起了广泛的关注。

Fe₃O₄负极材料在充放电过程中会伴随体积的急剧变化而造成容量不断衰减，阻碍着Fe₃O₄的实际应用。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯具有良好的导电性同时其独特的网状片层结构使其成为电极材料优良的载体，且可以缓解Fe₃O₄的体积效应。

Fe₃O₄/石墨烯复合材料的制备方法多采用溶剂热的方法，但是现有溶剂热法一般在温度低于200℃下反应，且反应时间高于12小时甚至几天，得到的产物结晶度较低，同石墨烯基底复合亦不紧密，往往需要进一步高温煅烧晶化，不仅延长了生产周期，高温煅烧还会浪费大量的能源。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种高温溶剂热一步制备Fe₃O₄/石墨烯锂离子电池复合负极材料的方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种高温溶剂热一步制备Fe₃O₄/石墨烯锂离子电池复合负极材料的方法，包括以下步骤：

(1)选取二水草酸亚铁、石墨烯和乙酸钠为反应原料，将其加入耐高温、高压的密闭不锈钢反应釜中，然后向不锈钢反应釜中加入适量乙二醇作为溶剂，搅拌均匀；

(2)步骤(1)完成后，将拧紧后的不锈钢反应釜置于程序控制烘箱中进行加热，升温至280～400℃，并在此温度下保持恒温5～6h，制得Fe₃O₄/石墨烯锂离子电池复合负极材料。

步骤(1)中，所述二水草酸亚铁、石墨烯和乙酸钠的质量比优选为3:0.1:2。

步骤(1)中，所述搅拌时间优选为30～45min。

步骤(2)中，所述升温速率优选为3～5℃/min。

步骤(2)中，优选包括后处理步骤，具体如下：将反应所得黑色沉淀通过离心分离，再经水和乙醇洗涤，并经真空干燥后，即得成品。

与其他制备工艺相比，本发明具有以下优点：

(1)由于采用比一般溶剂热更高的温度和更大的压力，从而无需进一步煅烧晶化步骤，一步反应即可得到晶型完整和电化学性能良好的Fe₃O₄/石墨烯复合电极材料，有效节约了成本。

(2)由于反应是在比一般溶剂热更高的温度和更大的压力下进行，因而所需反应时间比一般溶剂热的短，280℃下反应可短至6小时，仍可以得到晶型好和电化学性能良好的Fe₃O₄/石墨烯复合材料。

(3)由于反应在高温高压条件下进行，因而生成的附着在石墨烯表面的Fe₃O₄颗粒具有粒径均匀，比表面积大等优点,并且与常规溶剂热方法相比，所得的Fe₃O₄颗粒粒径更小，在30-50nm之间。

(4)反应原料中选取二水草酸亚铁作为铁源，相比于氯化铁等，其具有氯离子、硫酸根离子等杂原子含量低，低温不熔，高温下碳化分解等优势，有利于制得电化学性能良好的Fe₃O₄/石墨烯复合材料。