[发明专利]三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料及其制备方法。

技术背景

自2000年，Tarascon等报道了过渡族金属氧化物作为锂离子电池负极材料的电化学性能和反应机理以来，研究者对过渡金属氧化物进行结构和形貌控制，得到很高的比容量，为高性能锂离子电池负极材料的研究开辟了一个十分重要的新领域。然而，使用过渡族金属氧化物的锂电池在容量上的迅速衰减严重阻碍着其进一步的应用，导致这种衰减的主要原因是过渡族金属氧化物材料在对锂离子的嵌入和脱出过程中体积会发生显著的变化，而且常用的粘合剂在锂电池的电解质中也很容易发生膨胀，从而导致过渡族金属氧化物电极材料的开裂和碎化。为了克服这个问题，研究者采用纳米结构过渡族金属氧化物/石墨烯复合材料，来提高锂离子电池的稳定性和电化学性能。

α-Fe₂O₃又称赤铁矿，广泛存在于岩石和土壤之中，是人们最早知道的铁矿石。α-Fe₂O₃具有六方刚玉结构，单个晶胞结构中O^2-以六方密堆积排列形式存在，而Fe³⁺则位于八面体结构2/3的空隙中。α-Fe₂O₃具有II型半导体的特性，禁带宽度为2.2 eV。α-Fe₂O₃比容量为1005 mAh/g，而且具有环境友好、热稳定性好和耐腐蚀性强等优点，被证明是一种有前景的锂电池电极材料。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料，它具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质：热导率约5000 J/(m·K·s)、载流子迁移率达到2×105 cm²/(V·s)、比表面积理论计算值为2630 m²/g、杨氏模量约1100 GPa以及断裂强度约125 GPa。由于石墨烯的这些优异特性，在锂离子电池电极材料领域，研究者将其作为α-Fe₂O₃的性能增强相，与α-Fe₂O₃复合，有效缓解充放电过程中的体积变化，提高锂离子电池的稳定性和电化学性能。

授权公告号为CN 103367720 A的中国专利文献公布了一种石墨烯与多孔氧化铁复合材料的制备方法。该发明的原理是以含铁无机盐为铁源，与氧化石墨烯进行反应，先制得石墨烯与多孔氧化铁的前驱体，随后在空气或惰性气体下进行煅烧制得石墨烯与多孔氧化铁复合材料。授权公告号为CN 103078108 A的中国专利文献公布了一种石墨烯负载菱面体氧化铁复合材料及其水热合成方法。该发明制备出一种石墨烯负载菱面体氧化铁复合材料，其典型的特征为以石墨烯作为基体骨架，菱面体氧化铁在石墨烯片层两面均匀生长，菱面体氧化铁的颗粒尺寸为50~150nm，各个面都是规则的平行四边形。优化生产工艺，制备形貌可控、尺寸均一的复合材料成为研究者关心的问题。但是α-Fe2O3作为锂电池负极材料时在锂离子的嵌入和脱出过程中体积会发生显著的变化，从而导致电极材料的开裂和碎化。

发明内容

本发明的目的之一在于克服α-Fe₂O₃作为锂电池负极材料存在的问题， 提供一种三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料。

本发明的目的之二在于提供该复合电极材料的制备方法，制备一种新型的形貌独特、合成工艺简单和电化学性能稳定的锂离子电池负极材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料，其特征在于该复合电极材料是石墨烯通过范德华力包覆在三氧化二铁单晶纳米管上而形成的，其中石墨烯和氧化铁的质量比为1:（1～10）；所述的三氧化二铁单晶纳米管为α-Fe₂O₃单晶纳米管，其长度为300～500 nm，外径为60～90 nm，内径为10～50 nm。

一种制备上述的三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将石墨烯和α-Fe₂O₃单晶纳米管按1:（1~10）的质量比均匀分散在去离子水中，超声分散15~30分钟，然后将分散好的溶液混合，搅拌5~7天，静置，倒掉上层清液，干燥，最终得到三氧化二铁单晶纳米管/石墨烯复合电极材料。