[发明专利]一种微纳结构氧化铁/碳复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种微纳结构氧化铁/碳复合材料的制备方法及其应用，采用水热法及后续热处理合成的氧化铁/碳复合材料具有微纳多孔核壳结构，碳壳层可以有效增强氧化铁材料的电子传输，同时缓解氧化铁材料在电化学循环过程中的体积膨胀问题，最终获得较高的比容量和稳定的循环性能，是一种理想的锂离子电池负极材料，可广泛应用于需要高能量密度、使用寿命长、高稳定性的锂离子动力电池上，同时本发明的制备方法简单、条件易控、成本低廉、设备要求低、便于大规模生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属锂离子电池新能源材料领域，具体涉及一种微纳结构氧化铁/碳复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池作为储能设备被广泛应用于手机、摄像机和电脑等小型便携式装置，同时在电动汽车、航空航天等领域也有重要的应用前景。近年来，电动汽车产业技术得到了迅速发展，同时也对锂离子电池性能提出了更高的要求。负极材料是锂离子电池中主要组成部分，对锂电池的性能起重要作用。目前传统商业化锂离子电池采用碳材料作为负极材料，其比容量仅有372 mAh g^-1，难以满足高比容量的实际需求。另外，这种碳基负极材料的嵌锂电位与金属锂相近，在充放电过程中容易出现锂枝晶，导致电池短路，从而出现安全问题。因此，研究和开发新型比容量高和安全性更好的负极材料越发重要。

近年来，具有较高理论比容量的过渡金属氧化物（如Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co₃O₄等）受到越来越多的关注。这类过渡金属氧化物负极材料一般比容量都在700 mAh g^-1以上，如氧化铁（Fe₃O₄）的理论比容量高达926 mAh g^-1。另外，氧化铁材料还具有无毒、环境友好、来源广泛等优点，从而被认为是一种很有应用前景的锂离子电池负极材料。尽管氧化铁负极材料具有上述优点，然而，其电子传输比较慢，不利于大电流的充放电过程。同时，氧化铁材料在充放电过程中会出现较大的体积变化，易导致电极结构的改变，甚至发生结构的坍塌，致使容量的快速衰减，造成循环性能不佳。

为了改善氧化铁材料的上述缺点，人们进行了大量的探索。其中多孔微纳结构可以有效缓解材料在充放电过程中的体积膨胀，增强材料的结构稳定性。另外，这种结构在整体上表现出微米特性，从而提高材料的振实密度和体积比容量；同时，纳米组成单元可以缩短锂离子的传输路径，增强电子的传输。另一种有效策略是将氧化铁材料与高电导率材料进行复合，从而增强电子的传输能力，实现电化学性能的提升。

申请号为CN201710839444.8的国内专利以多巴胺和聚丙烯腈为碳源，通过水热法和静电纺丝技术及后续热处理得到一种自带空隙Fe₃O₄/C的复合纳米纤维负极材料。申请号为CN201710633240.9的国内专利采用葡萄糖为碳源，利用间苯二酚和表面活性剂的自组装过程及后续热处理生成氧化铁-介孔碳锂离子电池负极材料。这些方法存在着产量低，工艺复杂，制备周期长等缺点，在一定程度上限制其进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种具有优异电化学性能的微纳结构氧化铁/碳复合材料的制备方法及其应用。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种微纳结构氧化铁/碳复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：称取一定量九水合硝酸铁，溶解于一定量的丙三醇与无水乙醇的混合溶液中，搅拌溶解得到橙黄色溶液；

步骤二：向步骤一中橙黄色溶液中加入一定量的葡萄糖，搅拌至其完全溶解得到混合溶液；

步骤三：将步骤二获得的混合溶液转入50毫升水热釜中，在180℃下热反应一定时间，冷却至室温，随后用去离子水和无水乙醇进行洗涤、离心分离得到黑色产物；