[发明专利]一种表面氟化纳米四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种表面氟化纳米四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法及其应用，在铁盐溶液中加入沉淀剂合成超小型纳米Fe₃O₄前驱体，然后用氟化铵进行表面修饰合成的材料具有较好的纳米球状结构，其粒径为200‑250nm之间，具有优异的电化学性能，组装成电池后，在0.5A/g的电流密度下，循环300次后的容量为1382mAh/g；此外，其拥有优越的高倍率性能和超常的长循环性能，在10A/g的电流密度下，循环2000次后，仍有796mAh/g可逆的容量；在20A/g的大电流密度下，循环2000次后，仍有352mAh/g可逆的比容量。

技术领域：

本发明涉及能源新材料技术领域，具体涉及一种表面氟化纳米四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法及其应用。

背景技术：

受化石燃料大量使用的影响，全球气候变化和环境污染问题日益严重，基于锂离子电池驱动的新能源汽车得以蓬勃发展。尽管生产厂商们推出了多种续航里程的电动汽车，但是消费者对于纯电动车的接受度仍然有限。续航里程焦虑、较长的充电等待时间，以及充电站的数量，是制约电动汽车普及的主要因素，其中电池的快充能力成为电动汽车的一个重要性能指标。然而，很多负极材料的容量和倍率性能往往或差或者不可兼得。石墨已在商品化锂离子电池负极材料中得到广泛应用，但其容量和倍率性能难以满足动力电池的需求。过渡金属化合物作为锂离子电池负极材料时表现出优异的容量性能，成为商业石墨的潜在替代材料。过渡金属化合物作负极的主要问题是在充放电期间巨大的体积变化和较差的电导率，因此电池的循环寿命差。为了减轻这些问题，通常将材料粒径减小到纳米尺度，并进行碳包覆，从而提升材料的导电性并缓冲其体积变化。然而，如何在高倍率充放电条件下实现材料的稳定性，是一个极大的挑战。

四氧化三铁(Fe₃O₄)是一种低成本，藏量丰富，对环境无害的金属氧化物。四氧化三铁用作锂离子电池负极材料主要优势是具有较高的理论比容量(～926mAh/g)和相对高的安全嵌锂电位(～0.8V)。因此，研究制备拥有高性能、易制取以及低成本的新型Fe₃O₄基锂离子电池负极材料，不仅顺应当今社会发展的需求，而且具有显著的经济效益和战略意义。为了提高Fe₃O₄的电化学性能，人们采取了很多方法对其进行了改性，例如金属和非金属参杂、碳包覆，以及形貌和尺寸调节，还需进一步研究。

发明内容：

本发明的目的是提供一种表面氟化纳米四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法及其应用，通过使用氟源对Fe₃O₄进行表面氟化修饰，从而改善其电化学性能,得到的材料具有高的比容量、高倍率性能和长循环稳定的电化学活性，在20A/g的电流密度下，循环2000次，其比容量仍然高达352mAh/g，在这个条件下，充满电只需要几分钟且制备成本低、适用于工业化生产、易于规模化。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种表面氟化纳米四氧化三铁锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

a.将可溶性铁盐完全溶解在溶剂中，然后加入沉淀剂，可溶性铁盐中的铁和沉淀剂的摩尔比为1:1-6，搅拌均匀后，将混合溶液进行溶剂热反应，160-220℃反应8-24h，反应后离心分离、清洗、干燥并收集四氧化三铁前驱体粉末状样品；

b.将步骤a获得的四氧化三铁前驱体粉末状样品加入到NH₄F的水溶液中，四氧化三铁前驱体粉末状样品与NH₄F的摩尔比为1:3-15，室温下搅拌反应应4-36h，反应后离心分离、清洗、干燥并收集粉末状样品；

c.将步骤b获得的样品在保护气氛下400-600℃煅烧2-6h，得到黑色的表面氟化修饰的纳米四氧化三铁复合材料。

优选地，可溶性铁盐是氯化铁、乙酰丙酮铁、硝酸铁或其结晶水合物中的一种或混合。