[发明专利]氧化铁多孔纳米棒阵列电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池的负极材料，具体涉及一种用于高倍率锂离子电池的氧化铁纳米阵列电极材料及其制备方法。

背景技术

目前商用锂离子电池中负极材料主要为石墨，但石墨电极的容量有限(理论容量372mAh/g)，而且材料在较高充放电速率下性能不佳。为了提高电池的容量，缩短电池的充电时间，提高电池的输出功率，需要开发新的电极材料。

氧化铁(α-Fe₂O₃)是一种具有较高理论容量(1007mAh/g)的新型锂电负极材料，其充放电反应如下：

此外，氧化铁材料价格低廉，储量丰富，制备简便，安全无毒，非常适合于大规模应用。如果能够成功将氧化铁电极应用于锂离子电池中，将能够有效提高电池的整体容量。然而氧化铁材料的导电性很差，导致材料在充放电电流较大时存在着显著的极化现象，使得充放电过程仅能在非常缓慢的条件下进行；另一方面，氧化铁材料在充放电循环过程中存在着较大的体积变化，这会使得电极材料结构坍缩破坏，并从集流体表面脱落，因此材料的循环稳定性能较差。

构建具有特定结构的氧化铁纳米材料是改善其循环稳定性和导电能力的有效方法。目前公开的技术主要包括：将氧化铁与石墨烯等导电性较高的碳材料进行复合，构筑内部中空或多孔的氧化铁材料，构筑氧化铁阵列材料等。但将氧化铁与碳材料进行复合在一定程度上降低了电极中高容量物质(氧化铁)的含量，且复合物需要加入炭黑和高分子粘结剂后才能够制膜负载在集流体上，从而降低了电极整体的容量；构筑中空或多孔材料能够改善氧化铁材料的循环稳定性，但对于改善其高倍率性能帮助不大；现有的阵列合成方法可以将氧化铁材料生长在导电基底表面，但材料的合成方法较为复杂，且构成阵列的基元本身未经结构优化，因此循环稳定性较差，性能无法满足应用需要。

发明内容

为了有效改善氧化铁的循环稳定性和导电能力，本发明设计了一种氧化铁多孔纳米棒阵列结构。一方面通过将氧化铁材料生长在导电基底表面来改善其导电能力，另一方面借助纳米棒内部的孔道结构来改善电解液在材料中的浸润，缩短锂离子在固相中的扩散距离，并提供缓冲体积膨胀的空间。通过发展一种简单的合成-刻蚀两步制备方法，本发明成功得到了氧化铁多孔纳米棒阵列结构，这一材料作为无需添加剂的锂离子电池负极使用时具有优异的高倍率锂电性能。

具言之，本发明针对目前现有氧化铁电极材料中存在的循环稳定性差、高倍率性能差等问题，提供了一种新的氧化铁纳米结构及其制备方法，通过本发明，可以得到一种具有较长循环寿命和优异高倍率性能的氧化铁纳米阵列电极材料。

氧化铁作为锂离子电池的负极材料具有很高的理论容量，有利于提高电池整体的容量和能量密度。然而一方面氧化铁的导电性很差，导致材料在充放电电流较大时存在着显著的极化现象，因而容量随充放电电流的增加而快速降低，无法在较高的充放电速率下表现出较高的容量。另一方面，氧化铁材料在充放电循环过程中存在着较大的体积变化，这会使得电极材料结构坍缩破坏，并从集流体表面脱落，因此材料的循环稳定性能较差，无法满足应用需求。为了解决这两个问题，需要对氧化铁电极的形貌结构进行针对性的设计和改进，来提高其导电性和循环稳定性。

将氧化铁纳米材料生长在导电基底表面可以有效提高电极的导电能力，并且不需要炭黑等添加剂，可以直接作为电极使用在电池中。同时，设计构建内部多孔的多级纳米结构可以有效提高电解液在材料中的浸润，并缩短锂离子在固相中的传输时间，对于提高材料的高倍率性能十分有利。而对于氧化铁材料而言，具有一定体积的内部孔道能够提供缓冲体积膨胀的空间，对于改善材料的结构稳定性十分有利。据此，本发明设计并合成出了氧化铁多孔纳米棒阵列结构，这一结构充分发挥了纳米阵列和多孔结构两方面的优势，使材料表现出了优异的高倍率性能和循环稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种氧化铁多孔纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)将导电基底浸入含有Fe³⁺和SO₄^2-的醋酸水溶液中，170～190℃水热反应18小时以上，在导电基底上生长出氧化铁纳米阵列薄膜，然后自然冷却、清洗、晾干，其中所述溶液中醋酸含量在20％～30％(v/v)，Fe³⁺的浓度为0.005～0.02mol/L，SO₄^2-的浓度为0.4～0.7mol/L；