[发明专利]碱土金属铁酸盐电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一类碱土金属铁酸盐的制备方法及其应用。

背景技术

随着人们环保意识的日益增强和对资源利用率的关注，可充电电池逐渐成为研究的焦点，而锂原电池的成功应用大大推动了锂离子电池的研究和发展，使锂离子电池成为关注的重点。锂离子电池作为可移动电源现已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机、音乐播放器等小功率低能量密度产品。在不久的将来，大功率高能量密度的锂离子电池在电动汽车的车载电源市场很可能将占据主要市场份额。

新型锂离子电池负极材料，需要满足大功率、高能量、高安全、低成本、环保的要求，因此硅基、锡基、铁基氧化物及过渡金属氧化物锂离子电池负极材料逐渐被研究者们重视了起来，有潜力成为未来锂离子电池负极材料的替代品。对于铁基材料来说，基于转换反应的材料由于在充放电过程中不可避免的体积膨胀大，导致电极材料容易粉化继而使电池的容量发生快速衰减，再加上本身的电导率很低，因此更加难以实际应用。因此，开发新型的高性能负极材料对于锂离子电池的发展和产业化具有重要意义。

碱土金属铁酸盐，其作为锂离子电池负极活性材料，其制备方法和相关研究工作目前还鲜见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种碱土金属铁酸盐电极活性材料的制备方法，其制备工艺简单、产量丰富、适合大规模生产的要求，所得的铁酸钙和铁酸镁材料作为锂离子电池负极活性材料时具有较高的比容量，优异的倍率性能和良好的循环性能，是一类潜在的商用锂离子电池负极活性材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：碱土金属铁酸盐材料的制备方法，包括有以下步骤：

1)称取聚乙烯吡咯烷酮加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌，得到澄清透明溶液；

2)按比例称取铁源和钙源或镁源；加入到步骤1)得到的溶液中，继续搅拌；

3)将步骤2)中得到的溶液烘干，得红色玻璃状产物；

4)将步骤3)得到的干燥产物进行烧结热处理，首先是低温热处理，然后高温热处理，最后自然冷却，取出即得CaFe₂O₄或MgFe₂O₄样品。

按上述方案，步骤1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量为K90，质量为0.5-5克，N,N-二甲基甲酰胺的加入量为25毫升。

按上述方案，步骤2)中所述的铁源，钙源，镁源分别为Fe(NO₃)₃，Ca(NO₃)₂和Mg(NO₃)₂。

按上述方案，步骤2)反应体系中，所述的铁源与钙源或镁源的质量摩尔比例均为2:1。

按上述方案，步骤3)中烘干时间为24h以上。

按上述方案，步骤4)中采用的烧结气氛为空气气氛，升温速率为2～5℃/min，热处理温度为600～800℃，热处理时间为3～5h。

所得的碱土金属铁酸盐材料，其为铁酸钙或铁酸镁的纳米颗粒堆积而成的块状材料，其块体直径大小为3～10μm，所述的铁酸钙或铁酸镁的纳米颗粒大小均为300～400nm，所述的铁酸钙分子式为CaFe₂O₄，所述的铁酸镁分子式为MgFe₂O₄。

所述的碱土金属铁酸盐材料作为锂离子电池负极活性材料的应用。

本发明的铁酸钙和铁酸镁作为锂离子电池负极材料时，在充放电过程中会生成非活性物质(CaO和MgO)，这些非活性物质，不参与电化学反应提供容量，但在反应过程中CaO和MgO会起到分散剂的作用，抑制Fe和氧化物颗粒的团聚，从而可以有效缓冲反应过程中的体积变化，提高电极材料的循环稳定性。碱土金属铁酸盐材料的形成机理：首先聚乙烯吡咯烷酮溶解到N,N-二甲基甲酰胺中，形成均匀的溶液，然后加入相应的铁盐和钙盐(或镁盐)，溶液中会以铁离子，钙离子(或镁离子)，硝酸根离子形式存在，然后通过干燥过程，低温热处理和高温热处理过程，硝酸根离子会消失，铁离子，钙离子(或镁离子)会结合在一块形成相应的双金属氧化物。