[发明专利]一种多沟道表面修饰非晶态氧化铁纳米球的制备方法

说明书

本发明公开了一种多沟道表面修饰非晶态氧化铁纳米球的制备方法，具体步骤如下：(1)配制前驱体溶液；(2)将前驱体溶液转移至水热釜，温度设置在180～200℃，水热处理为1～6h；(3)将沉淀物反复离心、洗涤，去除多余反应离子；(4)烘干，干燥温度为80～110℃，干燥时间为8～12h。本发明采用水热法制备氧化铁纳米颗粒，利用水热反应中的熟化和氢离子蚀刻的协同效应，得到多沟道表面修饰非晶态氧化铁纳米球。将其作为锂离子电池负极材料，得到较好的电化学性能，这对氧化铁非晶材料在锂离子电池领域进一步发展中具有重要意义。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种多沟道表面修饰非晶态Fe₂O₃纳米球材料的制备方法，并将其应用于锂离子电池负极。

背景技术

近年来，化石燃料的过度使用造成了日益严重的大气污染、全球变暖等环境问题。许多国家使用电机来替代内燃机，从而大幅增加了电源的储能设备的需求。锂离子电池(LIBs)作为一种高效的储能装置，以其高能量密度、功率密度和长循环寿命而备受关注，广泛应用于便携式电子设备和电动汽车(EV)中。储能设备要求使用合理的电极材料组成设计并在狭小的空间内储存大量电力。现有商用石墨电极理论容量仅为372mAh/g，无法很好地满足能量密度增加的需求。因此，寻找比石墨具有更高容量的LIBs负极材料是非常必要的。迄今为止，人们的注意力主要集中在高理论容量材料上，例如：硅基材料、硫化物、氮化物负极材料、和过渡金属氧化物(TMOs)。氧化铁(Fe₂O₃)因其储量丰富、价格低廉、理论容量高(1007mAh/g)、无毒等优点而受到广泛关注。不幸的是，Fe₂O₃材料存在电子导电性差、库仑效率低和体积变化大，导致锂离子嵌入/脱嵌过程中的容量快速衰减，类似于其它TMOs。

为了克服Fe₂O₃负极材料的这些挑战，最近提出了一些策略。(1)将颗粒尺寸缩小到纳米级，构建Fe₂O₃的1D-3D或多孔纳米结构，如Fe₂O₃纳米线、纳米棒、纳米管、纳米薄片、纳米盒、花状微球和纳米球。这些研究表明，纳米结构的Fe₂O₃可以有效缩短离子的扩散距离，缓解Li⁺嵌入/脱嵌过程中剧烈的体积变化。(2)与导电碳材料或金属杂化，不仅可以降低电极电阻，提高锂离子和电子传输速率，还可以提供体积变化的缓冲层。Yu等已经报道使用液相剥离方法制备了Fe₂O₃/石墨烯杂化物可以提高复合材料的导电性。Lin等利用牺牲模板法合成Ag-Fe₂O₃空心球，提高了电极的循环稳定性。(3)多种金属氧化物复合，将两相不同活性材料结合在一起的杂化纳米结构将在不同的电压下与锂发生反应，所表现出来的协同效应不仅可提高锂储存性能，还可抑制电极材料的膨胀作用。然而，这些方法要么涉及复杂的操作，要么涉及有机溶剂，导致实验成本高昂。

不同于石墨的嵌入反应，过渡金属氧化物(TMO)在循环过程中是基于与锂相互作用的转化型反应因此，转化反应的热力学和动力学是确定该反应过程的可行性和可逆性的核心参数。非晶Fe₂O₃的吉布斯自由能(ΔG)变化比其结晶对应物低0.27eV，材料吉布斯自由能变化越低表明转化反应的可逆性越强。非晶材料的各向同性和晶界的缺失提高了承受高应变以及锂离子扩散迁移的能力。硅、氧化钛和氧化锡的阳极已证实了非晶相中松弛的体积变化，可改善循环性能。基于上述原因，非晶电极材料将具有更快的反应动力学、更好的可逆性和更窄的电压滞后。

发明内容