[发明专利]还原氧化石墨烯-硅酸亚铁-四氧化三铁三明治结构复合物及其制备方法和应用

说明书

还原氧化石墨烯‑硅酸亚铁‑四氧化三铁三明治结构复合物及其制备方法和应用。本发明涉及纳米片与纳米颗粒生长在还原氧化石墨烯表面构成的RGO‑FS‑Fe₃O₄三明治结构复合物的制备方法，该材料可作为锂离子电池负极活性材料，其为硅酸亚铁纳米片与四氧化三铁纳米颗粒生长在还原氧化石墨烯表面形成三明治结构，所述的硅酸亚铁纳米片尺寸在300‑400纳米，厚度为4‑5纳米，四氧化三铁纳米颗粒粒径为5‑7纳米。本发明的优点是：其作为锂离子电池负极活性材料时，表现出较高的比容量、良好的循环稳定性以及优异的倍率性能，是高容量、长寿命锂离子电池的潜在应用材料。另外，本发明工艺简单，条件温和，耗时短，符合绿色化学的要求。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学器件技术领域，具体涉及纳米片与纳米颗粒生长在还原氧化石墨烯表面构成的RGO-FS-Fe₃O₄三明治结构复合物的制备方法，该材料可作为锂离子电池负极活性材料。

背景技术

目前，锂离子电池广泛使用石墨碳材料作为负极活性材料，然而石墨的理论容量太低，已无法满足社会的需求。铁是最常见的金属元素，在地壳中的存储量仅次于铝，并且铁的化合物合成过程十分简便。Fe₃O₄由于具有较高的理论比容量(924mA h g^-1)、良好的导电性以及低廉的价格，是潜在的能够替代石墨的材料，然而，由于其在锂离子的嵌入/脱出过程中体积变化巨大，使得电极材料结构崩塌，容量快速衰减。

近年来，硅酸盐由于其较高的比容量、独特的层状结构以及低廉的价格，越来越多地被研究作为锂离子电池的电极材料。硅酸亚铁(FS)由于原料易得、比容量高和环境友好等优点已被广泛研究，其独特的层状结构能够在一定程度上缓解锂离子嵌入/脱出过程中材料的体积变化。但硅酸盐的导电性非常差，因此无法稳定保持其高容量。

与结晶度高的材料相比，无定形的材料在锂离子的运输和缓解体积膨胀方面更具优势。另外，多相材料能够通过个相之间的协同效应增强每一相材料的性能，例如电化学反应活性、导电性和稳定性等。因此，将无定形的FS与Fe₃O₄复合将是一个缓解Fe₃O₄体积膨胀的有效策略。

为了解决电极材料导电性差的问题，常用的方法是将电极材料与导电性强的物质复合。石墨烯具有超高的电子迁移率、优异的热力学和机械性能，与石墨烯复合能够有效地提升材料的导电性，而三明治结构能使材料与石墨烯充分接触，最大程度地提高材料的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的是Fe₃O₄在充放电过程中的体积膨胀和FS导电性差的问题，提出一种纳米片与纳米颗粒生长在还原氧化石墨烯表面构成的RGO-FS-Fe₃O₄三明治结构复合物的制备方法，该方法工艺简单、条件温和，制备的RGO-FS-Fe₃O₄复合物具有优良电化学性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：还原氧化石墨烯-硅酸亚铁-四氧化三铁(RGO-FS-Fe₃O₄)三明治结构复合物，其为硅酸亚铁纳米片与四氧化三铁纳米颗粒生长在还原氧化石墨烯表面形成三明治结构，所述的硅酸亚铁纳米片尺寸在300-400纳米，厚度为4-5纳米，四氧化三铁纳米颗粒粒径为5-7纳米。

所述的还原氧化石墨烯-硅酸亚铁-四氧化三铁三明治结构复合物的制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯加入到阳离子表面活性剂溶液中，搅拌使阳离子表面活性剂附着在氧化石墨烯表面；

2)再加入氨水和硅源，至少搅拌6小时；