[發明專利]一種利用水稻根制得的Fe3O4/C復合材料及其應用

有效

• 申請號: 201410038814.4
• 申請日: 2014-01-26
• 公開（公告）號: CN103840152A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 柴維聰;朱凌燕;許爐生;肖涵;黃輝;甘永平;夏陽;張文魁;陶新永
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;俞慧

（一）技術領域

本發明涉及一種利用水稻根制得的Fe₃O₄/C復合材料、其作為鋰離子電池負極材料的應用以及由此制得的鋰離子電池。

（二）背景技術

鋰離子電池是20世紀90年代初出現的新型綠色高能二次電池，已成為世界各國競相研究開發的重點。在正、負極材料的選擇上，正極材料必須選擇高電位的嵌鋰化合物，負極材料必須選擇低電位的嵌鋰化合物。負極材料是鋰離子電池的主要組成部分，負極材料性能的好壞直接影響到鋰離子電池的性能。鋰電池負極材料有炭材料、含碳化合物和非炭材料，而應用最多的是炭材料。目前，開發和使用的鋰離子電池負極材料主要有石墨、軟碳、硬碳等，其中石墨負極材料的理論比容量可達372mAh/g。但是由于石墨本身結構特性的制約，石墨負極材料的發展也遇到了瓶頸，比容量已經達到了極限、不能滿足大型動力電池所要求的持續大電流能力等。為滿足動力電池高比能量和高比功率的使用要求，近幾年以Fe₃O₄與碳的復合材料為代表的新體系備受關注。Fe₃O₄的理論比容量為924mAh/g。Fe₃O₄具有來源豐富，而制備的電池安全性好等優點。

目前科研人員制備Fe₃O₄與碳的復合材料主要是通過還原Fe₂O₃與碳的復合材料而得到的。例如Beibei?Wang等所報道的Carbon?coated?Fe₃O₄hybrid?material?prepared?by?chemical?vapor?deposition?for?high?performance?lithium-ion?batteries(Electrochimica?Acta106(2013)235-243)。

自然界的植物都含有各種礦物質元素，例如，含Fe、Si、Ca等。礦質元素和水分一樣，主要存在于土壤中，由根系吸收進入植物體內，運輸到需要的部位加以同化，以滿足植物生命活動的需要。鑒于植物根的特性，本專利選用水稻根作為研究對象。絕大多數收割后留下稻桿和根都就地焚燒后作為肥料來使用，水稻桿和根不但沒有得到充分的利用，并且對環境造成嚴重污染。只有極少數的水稻桿和根發酵后作農家肥、加工成精飼料或制造沼氣。

（三）發明內容

本發明第一個目的是提供一種利用水稻根制得的Fe₃O₄/C復合材料，該Fe₃O₄/C復合材料來源于含有鐵膜的水稻根，原料來源廣泛且具有廢物利用的特點，制備工藝簡單，對環境友好，易于工業化實施。

本發明第二個目的是提供所述Fe₃O₄/C復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用，表現出良好的循環性能、容量保持率和庫倫效率。

本發明的第三個目的是提供一種以所述Fe₃O₄/C復合材料作為負極材料的鋰離子電池。

下面具體說明本發明的技術方案。

本發明提供了一種利用水稻根制得的Fe₃O₄/C復合材料，水稻根因為老化，外皮層細胞壁增厚，泌氧能力下降，“氧化圈”縮小到貼近根表，三價鐵沉淀在根上，成為黃褐色鐵膜，本發明的創新點在于對這層鐵膜的充分利用。具體而言，所述Fe₃O₄/C復合材料的制備方法包括如下步驟：

（1）將水稻根洗凈，進行冷凍干燥；

（2）使冷凍干燥后的水稻根在氮氣或氬氣保護下以5～20℃/min的升溫速率升至200～500℃進行預碳化，預碳化后冷卻、研磨；

（3）將預碳化后的水稻根與質量分數為10～30%的聚苯乙烯（PS）的DMF（N,N-二甲基甲酰胺）溶液混合，在氮氣或氬氣保護下以5～20℃/min的升溫速率升至400～1000℃進行碳化，碳化后冷卻、研磨得到Fe₃O₄/C復合材料。

所述步驟（2）中，升溫速率優選為5～18℃/min，更優選為5～10℃/min，最優選為5℃/min；預碳化溫度優選為300～400℃，更優選300～350℃，最優選為350℃；預碳化時間優選為1～2小時，優選2小時。