[发明专利]一种铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种铁‑氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法，通过静电纺丝，煅烧其产物从而制备铁‑氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料；本发明制备方法简单、易于重复、可控制性高，所制备的铁‑氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料具有良好的柔韧性和可弯曲性，结构稳定，具有良好导电性，将该材料用于钾离子电池负极材料，具有优异的倍率性能和长循环稳定性。

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，涉及一种铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法。

背景技术

随着社会经济水平的不断提高，电子设备迎来蓬勃发展，对高能电池的需求急剧增加。由于锂资源的限制，高容量的钠离子和钾离子电池因其材料丰富、成本低廉而备受关注。钾离子的还原电势(-2.93V)与钠离子(-2.71V)相比更加接近锂离子(-3.04V)，且溶剂化的钾离子半径较小，因此用Na⁺和K⁺代替Li⁺，有望显示出比Li⁺更好的传输特性。然而，钾离子电池也存在着一些比较难攻克的弊端。例如，由于钾离子半径要远大于锂离子，导致钾离子电池在充放电过程中易发生体积膨胀从而使电极材料结构坍塌、电极粉化。钾离子具有类似锂离子的标准还原电位，氧化还原的高电势会使电解质一部分分解或发生副反应。因此，寻找具有良好循环性能的高容量负极材料是钾离子电池发展的一个迫切方向。

过渡金属氧化物的电化学反应遵循转化型反应机理，因其自身性质在充放电过程中参与氧化还原反应的电子较多而具有较高的理论容量。在不同的过渡金属氧化物中，Fe₂O₃由于成本低、天然丰度高、无毒和热力学稳定等特点引起研究者们的关注。然而，Fe₂O₃负极材料循环稳定性差、速率能力差、低比表面积和导电性差等缺点限制其应用。提高金属氧化物负极材料的导电性和循环稳定性，是其在钾离子电池中应用的关键。

通过不断的研究，发现合理的结构设计，如使材料纳米化在一定程度上可以避免上述问题的发生。近年来关于各种过渡金属氧化物的纳米形貌结构被相继报道，用来改善负极材料的电化学性能。另外一种提升过渡金属氧化物电化学性能的常用手段就是与其他材料进行复合，如碳，导电聚合物，无定形硅等材料。这些材料可以稳定粒子表面的固体电解质界面，起到缓冲作用，保证充放电前后粒子的完整性，从而提高材料的电化学性能。通过这些手段，开发一种高性能氧化铁钾离子电池负极具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合负极材料的制备方法。通过静电纺丝技术和退火处理得到铁-氧化铁/碳纳米纤维复合材料，该方法过程简单、易于控制，所制备的样品作为负极材料应用于钾离子电池，能使钾离子电池的电化学性能进一步提高。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合钾离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将造孔剂和聚合物按一定比例加入到N，N二甲基甲酰胺中加热搅拌，得到透明粘稠状液体。

步骤二：将铁源化合物按比例加入到步骤一得到的透明粘稠状液体中搅拌，得到红色粘稠状液体。

步骤三：将步骤二得到的红色粘稠状液体转移至注射器中设置参数进行静电纺丝得到复合纤维膜。

步骤四：将步骤三得到的复合纤维膜进行预氧化处理得到预氧化膜。

步骤五：将步骤四得到的预氧化膜在惰性气体气氛中进行退火处理，最终得到铁-氧化铁/多孔碳纳米纤维复合材料。

作为本发明优选方案，所述步骤一中造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯。

作为本发明优选方案，所述步骤一中聚合物为聚乙烯醇。

作为本发明优选方案，所述步骤一中铁源化合物为乙酰丙酮铁。