[發明專利]一種多孔氧化鐵負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201911300958.1
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN110957489A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 王波;張迪;孫會蘭;李文;王秋君
• 申請（專利權）人: 河北華普化工設備科技有限公司
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 陳曉彥

本發明屬于電池材料技術領域，具體涉及一種多孔氧化鐵負極材料及其制備方法和應用。該制備方法將固體有機酸與硝酸鐵反應，經過煅燒、與碳源混合、再次煅燒后制得成品。所得成品在電池充放電過程中的循環壽命得到了顯著提升，其多孔結構能夠增加其與電解液的接觸面積，提供更多活性位點，提升了倍率能力。

技術領域

本發明屬于電池材料技術領域，具體涉及一種多孔氧化鐵負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池(LIB)由于其高能量密度、循環穩定性和設計靈活性而被認為是用于儲能設備、運輸設備和其他電子設備的優選電源。金屬有機骨架(MOFs)可作為直接電極材用于LIB，其由金屬離子和有機配體構成，具有可調節孔隙率和大表面積等優點，代表了一類新的混合多孔材料。Fe₂O₃屬于過渡金屬氧化物之一，具有理論容量高(約1007mAh/g)、成本低和資源豐富的優點，可作為負極材料用于制備MOFs。然而Fe₂O₃在重復充電/放電過程中體積變化大且導電率低的缺點導致以Fe₂O₃作為負極材料具有循環能力差和倍率能力差的缺陷，使其在LIB中的實際應用情況并不樂觀。

發明內容

針對Fe₂O₃作為負極材料循環能力差和倍率能力差的問題，本發明提供一種多孔氧化鐵負極材料的制備方法。

以及，本發明還提供一種多孔氧化鐵負極材料。

以及，本發明還提供上述多孔氧化鐵負極材料在制備鋰離子電池中的應用。

為達到上述發明目的，本發明實施例采用了如下技術方案：

一種多孔氧化鐵負極材料的制備方法，具體包括以下步驟：

將固體有機酸與硝酸鐵溶于溶劑中，加入催化劑攪拌30～60min，再在60～120℃反應10～30分鐘，反應完畢后，將所得產物洗滌、干燥后在300～500℃煅燒10～20min，得到初產物；

將所得初產物與碳源研磨混合，在惰性氣氛中在300～500℃煅燒10～30min；其中，所述固體有機酸為對苯二甲酸和反丁烯二酸的至少一種。

本發明制備方法先通過反應和第一次煅燒得到的初產物即納米級Fe₂O₃。固體有機酸種類以及反應溫度和時間的綜合作用使所得納米級Fe₂O₃的粒子更小，且形貌均勻，在重復充電/放電過程中與其大塊對應物相比具有減小的絕對體積變化和縮短的離子和電子轉移距離，從而提升其循環壽命；第一次煅燒的時間和溫度使有機成分被煅燒干凈，且該煅燒過程不需限定氣氛，工藝要求較低。然后，該納米級Fe₂O₃與碳源混合后在惰性氣氛中煅燒，氧化鐵生成部分鐵單質，并促進碳源生成石墨碳，從而實現了納米級Fe₂O₃表面的碳包覆，進一步減少體積變化并提高了所得產品的導電性，提高了放電比容量，使所得產品具有更好的電化學性能。本發明利用簡便的方法制備了納米級碳包覆的多孔氧化鐵負極材料，該材料在電池充放電過程中具有較長的循環壽命，且其多孔結構能夠增加其與電解液的接觸面積，增加了活性位點數量，提升了倍率能力。

通過掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡可以看出，本制備方法制得的多孔氧化鐵負極材料具有均勻的形貌，掃描電子顯微鏡圖像(SEM圖像)如圖2所示，透射電子顯微鏡圖像(TEM圖像)如圖3所示。通過TEM圖像可以看出，該多孔氧化鐵負極材料有5μm～20μm厚的均勻包覆層，晶格條紋證明包覆層物相組成是石墨化的碳層，該碳層即為在惰性氣氛中第二次煅燒而生成的石墨碳。

該制備方法中的硝酸鐵可選自其無水物或九水合物。