[发明专利]一种花状三氧化二铁纳米材料及其制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种花状三氧化二铁纳米材料及其制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为一种新兴的化学能源，成为有效的解决当前可再生能源难以储存的方法之一，从而被广泛的研究，有着工作电压高(3.7V)、比能量高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、储存性能好、宽广的温度范围及相对安全可靠以及环境友好等优点。

三氧化二铁(Fe₂O₃)是一种n-型半导体金属氧化物(Eg＝2.2eV)，是一种具有较多用途的功能材料，特别其是在作为锂离子电池负极材料时具有高1007mAh/g的理论容量，同时还具有成本低廉、易于大规模生产以及无毒无污染等优点，因此被视为极具潜力的新一代锂离子电池电极材料。但是由于在进行嵌锂和脱锂反应时伴随着巨大的体积膨胀和收缩，以及活性物质与集流片的分离，使得三氧化二铁的充电-放电循环性能较差。

为了有效改善上述问题，具有独特结构的各种三氧化二铁纳米材料已经被广泛的研究了，包括多孔颗粒、纳米棒或纳米管以及中空颗粒。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种花状三氧化二铁纳米材料及其制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池。本发明利用易于制备的立方块状的铁锡前驱体，通过转化，得到纳米片状的羟基氧化铁，再经过焙烧，使片状羟基氧化铁分解，即获得了三维分级结构的三氧化二铁微米花。本发明针对工业化生产高比表面积的三氧化二铁粉体技术难题，提供了一种工艺简单、成本低的制备方法，制备的三氧化二铁纳米材料呈微纳米花状，且其中的纳米片厚度小，比表面积大，产品纯度高，作为锂离子电池负极制成的锂离子电池容量高，循环性能优良。

本发明采用的技术方案是：

一种花状三氧化二铁纳米材料，由三氧化二铁纳米片组成的微纳米花构成，纳米片的厚度为5-10nm，微纳米花的直径为1.0-2.5微米，纳米材料的比表面积为57.8-95.6m²·g^-1。

一种花状三氧化二铁纳米材料的制备方法，步骤包括：

A、制备立方块状羟基锡酸铁前驱体；

B、将立方块状羟基锡酸铁前驱体粉末分散在0.5-8.0mol/L的碱溶液中，前驱体分散在碱溶液中的浓度为1.0-40.0g/L，在30-95℃下在摇床中转化处理1.5-12小时，再经过滤、洗涤、干燥，得到纳米片组装的羟基氧化铁微纳米花粉体；

所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种；

所述摇床的转动速度为15-280转/分钟；

优选，将立方块状羟基锡酸铁前驱体粉末分散在质量为前驱体粉末100倍的5mol/L碱溶液中，在120转/分钟的摇床中，65℃下转化处理8小时；然后再将沉淀物减压抽滤、用去离子水洗涤3次、乙醇洗2次，50℃下真空干燥；

C、将羟基氧化铁微纳米花粉体在240-600℃下焙烧0.1-6小时，自然冷却至室温，即可得到微纳米花状三氧化二铁红色粉体，即花状三氧化二铁纳米材料；优选将羟基氧化铁微纳米花粉体在280℃焙烧2小时，自然冷却至室温后，即可得到红色的三氧化二铁微纳米花粉体。

所述步骤A立方块状羟基锡酸铁前驱体的制备方法是：

将锡盐溶于水制得锡盐溶液，再用碱调节溶液的pH为9.5-13.5；将亚铁盐溶于水制得亚铁盐溶液；将上述所配溶液混合后，搅拌得到混浊溶液，将混浊溶液在5-95℃下，通惰性气体保护，静置陈化0.5-12小时，然后将沉淀物过滤、洗涤、干燥，得到实心的立方块状羟基锡酸铁前驱体；

所述锡盐中锡与铁盐中铁的物质的量比为1∶1；

所述锡盐选自四氯化锡、锡酸钠中的一种或两种；所述锡盐溶液浓度为0.005-1.0mol/L；

所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种；

所述铁盐为七水合硫酸亚铁、硫酸亚铁铵和氯化亚铁中的一种或多种；所述铁盐溶液浓度为0.01-2.0mol/L；

所述搅拌使用磁力搅拌，转速为10-180转/分钟；

所述惰性气体保护为氩气或氮气保护；

若锡酸钠溶液的pH小于9.5时，仅能得到青灰色的胶体状沉淀物；若锡酸钠溶液的pH大于13.5时，得到的青灰色沉淀物的形貌不均匀。

优选用碱调节溶液的pH值为11.5，磁力搅拌转速为50转/分钟；将溶液在50℃下，通氩气保护，静置陈化8小时。

所述干燥条件为30-80℃真空干燥；