[发明专利]三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

与传统的二次电池相比，锂离子电池具有平台电压高、能量密度大、自放电小、无记忆效应、环境友好等优点受到各个行业的青睐，正逐步从移动电话、笔记本电脑、便携式电器的应用走向电动自行车、电动汽车和军工方面的应用。

目前，3d过渡金属氧化物作为最有前景的锂离子电池负极材料之一，被广泛的研究。因其具有比石墨电极高2～3倍的容量，在充放电过程中比合金电极更小的体积变化，有望实现锂离子电池在电动汽车、军事等多方面的应用。在过渡金属氧化物中，三氧化二铁和氧化镍，具有高的理论容量、无毒环保、储存丰富、价格低廉等优点，吸引了越来越多的关注。但是仍然存在以下缺点：

一、导电性差较差，在电化学反应过程中会发生较大的极化，阻碍了电子快速有效地传输以及锂离子在材料中的扩散；

二、在转换反应过程中体积变化大，并产生一定的内应力，在不断的循环中，使得材料逐渐粉化，不仅与集流体失去电接触，而且使纳米金属粒子团聚形成大颗粒，减少活性物质与电解液的接触界面而丧失电化学活性，导致了不可逆容量的损失，差的电化学性能，从而限制了广泛的实际应用。

为了解决这些问题，已经进行了很多研究，包括制备不同的纳米结构，如纳米颗粒、多孔球、纳米棒、纳米线、纳米带等；与各种碳材料复合，如过渡金属氧化物与石墨烯、纳米碳管、非晶碳复合；制备薄膜材料等，但仍然达不到实际应用的要求。

发明内容

为了在提高锂离子电池负极材料的放电容量的同时又保持有较好的循环性能，一种有效设计方法就是将两种活性负极材料组装成一个3D纳米复合薄膜电极，形成良好的电接触、减少非活性界面、维持结构稳定等特点来提高材料的放电容量，同时又能保持较好的循环稳定性。

本发明提供了一种三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜及其制备方法和应用，该制备方法构建了两种过渡金属氧化物核壳纳米棒薄膜结构，制备工艺控制方便，制造成本较低，可以大面积生产，易于实现工业化。三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜以三氧化二铁纳米棒阵列作为核结构，氧化镍层包覆在纳米棒表面作为壳层，具有在基底上生长的核壳纳米棒阵列形貌，制备的锂离子电池负极具有高的放电容量、稳定的循环性能和优异的倍率性能等优点。

一种三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）将可溶性铁盐、硫酸钠和水混合，得到前驱体溶液；

2）将洁净的基底放入反应釜中，并将步骤1）中的前驱体溶液加入到反应釜中，于110℃～160℃反应4h～24h，再在保护气体的保护下于400℃～500℃热处理1h～5h，得到生长有三氧化二铁纳米棒阵列的基底；

3）将硫酸镍、过二硫酸钾、氨以及水混合，得到氧化镍反应液，将步骤2）中的生长有三氧化二铁纳米棒阵列的基底放入氧化镍反应液中反应，反应后在保护气体的保护下于300℃～400℃热处理1h～3h，得到三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜。

步骤1）中，前驱体溶液作为三氧化二铁纳米棒阵列的原料，作为优选，所述的可溶性铁盐为FeCl₃·6H₂O、FeCl₃或Fe(NO₃)₃等。上述的可溶性铁盐作为铁源，有利于三氧化二铁纳米棒阵列的形成。

前驱体溶液中的可溶性铁盐和硫酸钠浓度对三氧化二铁纳米棒阵列的形成有一定的影响，作为优选，所述的前驱体溶液中的可溶性铁盐的浓度为0.005～0.065mol/L，所述的前驱体溶液中的硫酸钠的浓度为0.01～0.08mol/L，更有利于三氧化二铁纳米棒阵列的形成。

步骤2）中，为了有利于在基底的表面生长三氧化二铁纳米棒阵列以及防止其他杂质对最后制备的三氧化二铁纳米棒阵列以及氧化镍层包覆的产生影响，在基底上制备三氧化二铁纳米棒阵列之前，需要将其清洗干净，作为优选，洁净的基底的制备包括：先将基底分别用丙酮、去离子水和乙醇超声洗涤，然后烘干。上述步骤对基底的洁净效果较好，在基底的表面几乎不含对形成三氧化二铁/氧化镍核壳纳米棒阵列薄膜产生影响的杂质。