[发明专利]一种多孔氧化铁负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种多孔氧化铁负极材料及其制备方法和应用。该制备方法将固体有机酸与硝酸铁反应，经过煅烧、与碳源混合、再次煅烧后制得成品。所得成品在电池充放电过程中的循环寿命得到了显著提升，其多孔结构能够增加其与电解液的接触面积，提供更多活性位点，提升了倍率能力。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种多孔氧化铁负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池(LIB)由于其高能量密度、循环稳定性和设计灵活性而被认为是用于储能设备、运输设备和其他电子设备的优选电源。金属有机骨架(MOFs)可作为直接电极材用于LIB，其由金属离子和有机配体构成，具有可调节孔隙率和大表面积等优点，代表了一类新的混合多孔材料。Fe₂O₃属于过渡金属氧化物之一，具有理论容量高(约1007mAh/g)、成本低和资源丰富的优点，可作为负极材料用于制备MOFs。然而Fe₂O₃在重复充电/放电过程中体积变化大且导电率低的缺点导致以Fe₂O₃作为负极材料具有循环能力差和倍率能力差的缺陷，使其在LIB中的实际应用情况并不乐观。

发明内容

针对Fe₂O₃作为负极材料循环能力差和倍率能力差的问题，本发明提供一种多孔氧化铁负极材料的制备方法。

以及，本发明还提供一种多孔氧化铁负极材料。

以及，本发明还提供上述多孔氧化铁负极材料在制备锂离子电池中的应用。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

一种多孔氧化铁负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

将固体有机酸与硝酸铁溶于溶剂中，加入催化剂搅拌30～60min，再在60～120℃反应10～30分钟，反应完毕后，将所得产物洗涤、干燥后在300～500℃煅烧10～20min，得到初产物；

将所得初产物与碳源研磨混合，在惰性气氛中在300～500℃煅烧10～30min；其中，所述固体有机酸为对苯二甲酸和反丁烯二酸的至少一种。

本发明制备方法先通过反应和第一次煅烧得到的初产物即纳米级Fe₂O₃。固体有机酸种类以及反应温度和时间的综合作用使所得纳米级Fe₂O₃的粒子更小，且形貌均匀，在重复充电/放电过程中与其大块对应物相比具有减小的绝对体积变化和缩短的离子和电子转移距离，从而提升其循环寿命；第一次煅烧的时间和温度使有机成分被煅烧干净，且该煅烧过程不需限定气氛，工艺要求较低。然后，该纳米级Fe₂O₃与碳源混合后在惰性气氛中煅烧，氧化铁生成部分铁单质，并促进碳源生成石墨碳，从而实现了纳米级Fe₂O₃表面的碳包覆，进一步减少体积变化并提高了所得产品的导电性，提高了放电比容量，使所得产品具有更好的电化学性能。本发明利用简便的方法制备了纳米级碳包覆的多孔氧化铁负极材料，该材料在电池充放电过程中具有较长的循环寿命，且其多孔结构能够增加其与电解液的接触面积，增加了活性位点数量，提升了倍率能力。

通过扫描电子显微镜及透射电子显微镜可以看出，本制备方法制得的多孔氧化铁负极材料具有均匀的形貌，扫描电子显微镜图像(SEM图像)如图2所示，透射电子显微镜图像(TEM图像)如图3所示。通过TEM图像可以看出，该多孔氧化铁负极材料有5μm～20μm厚的均匀包覆层，晶格条纹证明包覆层物相组成是石墨化的碳层，该碳层即为在惰性气氛中第二次煅烧而生成的石墨碳。

该制备方法中的硝酸铁可选自其无水物或九水合物。