一种3D-Fe2O3锂离子电池负极材料的制备方法与流程

本发明属于锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术：

1、在锂离子电池中，锂离子负电极的作用就是将锂离子与电子从负电极中抽离出来，送到正电极中，然后再返回到电池中，继续充电与放电。在锂离子电池中，负极材料是最主要的原材料，占总成本的5-15％。但是，现有以石墨作为负极材料的锂离子电池由于较低的理论比容量(372mah/g)而无法满足日益增长的能量需求。

2、fe2o3作为一种金属氧化物(理论储锂容量1007mah/g)，它的电化学反应主要是由锂离子嵌入到晶格内部进行的氧化还原反应。因此，由于锂离子在晶格内部的反复嵌入/脱出，很容易导致金属氧化物晶格的反复伸缩，从而导致材料的晶格结构垮塌，导致较大的容量损失，循环寿命也很低。当再充电过程中，由于锂离子在晶格内部的反复嵌入/脱出，使得材料的结构不断变化，导致材料晶格不断变化，从而引起材料性能的劣化。另外，fe2o3作为一种常见的半导体材料，其导电性也是阻碍其作为锂离子电池负极材料的一个原因。基于以上原因，往往会导致fe2o3电极材料在循环过程中，容量快速衰减，一般情况下，在循环40-50圈后容量会快速衰减至50-100mah/g的水平。针对上述问题，学者们提出了几种解决方案：

3、一、构筑金属氧化物与其它化合物的复合结构

4、为充分发挥金属氧化物与其他材料的协同作用，并有效地抑制材料的体积膨胀，已有学者提出通过构建复合材料来达到这一目的。如jiang等研究学者(song h,wang h x,lin z,et al.highly connected silicon-copper alloy mixture nanotubes as high-rate and durable anode materials for lithium-ion batteries[j].advancedfunctional materials,2016,26(4):524-531.)，已成功构筑出一种三维石墨烯/三氧化二铁复合气凝胶。拟将fe2o3纳米晶包覆于石墨烯骨架内，利用石墨烯骨架结构对fe2o3进行包覆，从而降低fe2o3在锂离子电池中的体积膨胀，提高电池的载流子传输效率。在5a/g的电流密度下，该材料在1200次充放电后，仍保持着523.5mah/g的高能量密度，具有良好的充放电性能。

5、二、金属氧化物的调控

6、对其进行尺寸和形貌的控制是一种较为普遍的途径。例如，qi等人(poizpot p,luruelle s,grugeon s,et al.nano-sized transition-metal oxides as negative-electrode materials for lithium-ion batteries[j].nature,2000,407:496-499.)在3d铜泡孔上构建并合成了3d cf@feox，其负载量为2.5mg/cm2，且3d cf@feox表面有着分散良好的导电性，可有效提高其电化学性能。

7、但是对于单纯fe2o3的制备以及将其应用在锂离子电池负极材料中的研究较少。与上述改性方法的不同，制备单纯fe2o3更有利于发挥其储锂的本征贡献，且可以有效摒弃其他材料的引入，比如碳基材料，简化了实验流程，另一方面也可以除去高温炭化流程，减少投入成本，因为引入碳基材料势必要经过高温处理以提高整体材料的导电性能才能将其用于电极材料。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，采用改性剂aps改变fe2o3的微观结构，有效抑制fe2o3单独作为锂离子电池负极电极材料存在的导电性差以及体积膨胀问题。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将0.9～3.5g的铁盐溶解在30～60ml的乙二醇中，并在常温下进行磁力搅拌5～20min至无固体物，随后加入100～300μl的改性剂，再在常温下充分搅拌1～4h，将所得溶液放置在高压反应釜内；

5、2)将高压反应釜在鼓风干燥箱中120～200℃，恒温处理1～10h；

6、3)高压反应釜自然冷却至室温；

7、4)对溶液进行抽滤处理，抽滤过程中多次加入去离子水和无水乙醇，得到黑色固体；

8、5)将得到的黑色固体放入80～85℃的烘干箱中干燥5～6h，得到3d-fe2o3材料。

9、所述的改性剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷。

10、所述的铁盐为fe(no3)3·9h2o、fe(no3)3、fe2(so4)3、feso4·7h2o中的一种。

11、所述的fe(no3)3·9h2o为1.5～3.5g。

12、所述的fe(no3)3为0.9～2.1g。

13、所述的fe2(so4)3为0.6～1.46g。

14、所述的feso4·7h2o为1.03～2.42g。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、本发明不引入其他材料，简化了实验流程，另外本发明方法也可以除去高温炭化流程，减少投入成本，其次加入3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷作为改性剂，可以有效控制3d-fe2o3晶粒的生长方向，利于其晶核向3d结构转变，此结构可以有效避免fe2o3单纯作为锂离子电池负极材料时存在的体积膨胀问题，提高其循环性能。将3d-fe2o3材料应用于锂离子半电池的负极材料中，在电流密度为100ma/g和1a/g下，容量分别为717.7mah/g和394.4mah/g，这表明单纯的3d-fe2o3材料(不再依附于碳基材料)便可在电化学储能方面具有可观的应用前景。

技术特征：

1.一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的改性剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷。

3.根据权利要求1所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的铁盐为fe(no3)3·9h2o、fe(no3)3、fe2(so4)3、feso4·7h2o中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的fe(no3)3·9h2o为1.5～3.5g。

5.根据权利要求3所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的fe(no3)3为0.9～2.1g。

6.根据权利要求3所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的fe2(so4)3为0.6～1.46g。

7.根据权利要求3所述的一种3d-fe2o3锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述的feso4·7h2o为1.03～2.42g。

技术总结本f发明涉及一种3D‑Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;锂离子电池负极材料的制备方法，将铁盐溶解在乙二醇中，常温下进行磁力搅拌至无固体物，随后加入改性剂，再在常温下充分搅拌后，置于高压反应釜内，在鼓风干燥箱中恒温处理；冷却后的溶液抽滤处理，抽滤过程中多次加入去离子水和无水乙醇，得到黑色固体，在干燥箱内干燥。本发明不引入其他材料，简化了实验流程，可以除去高温炭化流程，减少投入成本；加入3‑氨丙基三甲氧基硅烷或3‑氨丙基三乙氧基硅烷，可以有效控制3D‑Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;晶粒的生长方向，利于其晶核向3D结构转变，此结构可以有效避免Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;单纯作为锂离子电池负极材料时存在的体积膨胀问题，提高循环性能。技术研发人员：胡海平,胡文良,李建科,徐桂英,王坤,张殿浩,张文武,胡海军,周卫民受保护的技术使用者：晖阳（贵州）新能源材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13