[发明专利]锂离子电池负极材料Fe3

说明书

本发明公开了一种锂离子电池负极材料Fe₃O₄/N‑C的制备方法，该方法的具体步骤为：按照一定质量比称取分析纯的铁源和含氮有机碳源；将铁源溶于一定量去离子水中，搅拌一段时间后，得到混合液A；将含氮有机碳源加入一定量溶剂中，搅拌一段时间后，得到混合液B；将所述混合液A和所述混合液B进行混合，搅拌一段时间后，于一定温度烘干后，研磨得到前躯体；将前驱体置于带盖坩埚内，在惰性气氛保护下煅烧，保温若干个小时后，随炉冷却到室温。采用本发明的方法制备的负极材料循环稳定性好、原料价格低廉、制备工艺简单、产率高。

技术领域

本发明属于新材料和电化学领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料Fe₃O₄/N-C的制备方法。

技术背景

目前新型的锂离子电池负极材料的研究热点为具有高比容量的电极材料。四氧化三铁作为一种具有高比容量的电极材料开始受到研究学者的关注，四氧化三铁在放电过程中原位生成单质Fe以及Li₂O，单质Fe的存在提高了基体的电子导电能力，从而提升了电极反应动力学，进而改善循环稳定性。另外，由于Fe₃O₄自身存在着混合电价，因此其本征电导率相较于其它过渡金属氧化物的较高，更利于其电极反应的进行。

但是由于Fe₃O₄材料的脱嵌锂机制为转化反应，所以其在充放电过程中仍然存在着较大体积变化，使得颗粒开裂，极片脱落，循环性能变差，这极大地限制了材料的电化学性能的发挥和其日后的发展应用。针对Fe₃O₄负极材料存在的问题，目前研究中主要通过以下两种方法来改善其电化学性能：（1）构造出特殊结构，可以使活性物质在脱嵌锂过程中的体积变化更加均匀，同时还能缩短锂离子的扩散距离，提高电极反应速率，改善电极的循环性能。

韩国汉阳大学的Paik等人设计并合成出具有中空结构的Fe₃O₄@C纳米盒，在10 Ag^-1下稳定循环8000次后可逆容量仍有470 mAh g^-1,仍高于目前商业石墨负极的理论容量（Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502318）；（2）制备Fe₃O₄基复合材料，对Fe₃O₄材料进行复合化处理可以有效降低硅活性相体积效应，同时可引入导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体，制备出多相复合负极材料，通过体积补偿、增加导电性等方式提高材料的长期循环稳定性。Liu研究组将Fe₃O₄与碳纳米管和无定形碳复合，制备出CNT@Fe₃O₄@C复合负极材料，碳纳米管和无定形碳的存在，大大提高了材料的电子导电能力，从而有效地增强Fe₃O₄材料的导电性，CNT@Fe₃O₄@C材料展示出良好的循环性能，在1 A g^-1下循环80次后可逆容量为724.8 mAh g^-1（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 1453−1458）；ChangjingFu研究组制备出了一种Fe₃O₄/graphene（石墨烯）纳米复合负极材料，RGO的空间网络结构为SiO_x材料提供了良好的电子传输网络，增强其导电性。材料表现出良好的循环稳定性。在0.1 A g^-1下稳定循环100次后，容量仍高达963 mAh g^-1（Int. J. Electr℃hem. Sci., 9(2014) 46 - 60）。

可见，以上两种现有方法通过提高材料电子电导来提升材料的电化学容量及改善材料的电化学稳定性，但是，原料价格高，制备方法复杂，产率较低。

发明内容