一種鋰離子電池負(fù)極材料鐵酸銅納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料鐵酸銅納米纖維的制備方法，屬于納米材料和化學(xué)電源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源和環(huán)境已經(jīng)成為全球面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和各國(guó)不斷攀升的能源需求，全球的能源消耗量急劇增長(zhǎng)。為了滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，在傳統(tǒng)能源日趨緊張、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，尋求和發(fā)展性能優(yōu)異、成本低廉以及環(huán)境友好的新能源成為亟待解決的問題，而新型電池作為其中一支發(fā)展較為迅速的力量，尤其是二次鋰離子電池被寄予了厚望。
[0003]電極材料是影響鋰離子電池綜合性能好壞的重要因素，而對(duì)于負(fù)極材料來說，傳統(tǒng)的碳負(fù)極材料已經(jīng)差不多達(dá)到了其理論容量的極限值，這嚴(yán)重限制了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋求高比容量的負(fù)極材料是科研工作者近年來一直追尋的目標(biāo)。過渡金屬氧化物負(fù)極材料由于具有較高的比容量，較好的倍率性能而受到越來越多的青睞，尤其是立方尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵酸鹽MFe2O4 (M = Co, Zn，Cu，Ni)。其中，鐵酸銅(CuFe2O4)擁有高達(dá)896mAh/g的理論容量，而且循環(huán)性能好、成本低、來源豐富、對(duì)環(huán)境無污染，是新一代鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展的重要方向。現(xiàn)有CuFe2O4大多制成納米顆粒狀，但這種粒子團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，用于鋰離子電池時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池的循環(huán)性能較低，循環(huán)穩(wěn)定性較差。
[0004]納米纖維由于具有良好的機(jī)械性能和較大的比表面積，可使鋰離子在納米纖維中的嵌入深度淺、擴(kuò)散路徑短，有利于鋰離子在材料中的快速脫嵌。同時(shí)還可以增加電極與電解液之間的接觸，有利于鋰離子的傳輸。靜電紡絲是一種簡(jiǎn)易而高效的制備連續(xù)納米纖維的方法。通過靜電紡制備的納米纖維在纖維軸向有很多表面缺陷，還可以為鋰離子提供更多的反應(yīng)位點(diǎn)，從而提高負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰性能。目前還沒有見到利用靜電紡絲技術(shù)制備CuFe2O4納米纖維用于鋰離子電池負(fù)極材料的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的首要目的是提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料鐵酸銅納米纖維的制備方法。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供由上述制備方法得到的比容量高、首次充放電效率高和循環(huán)穩(wěn)定性好的鋰離子電池負(fù)極材料CuFe2O4納米纖維。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種鋰離子電池負(fù)極材料鐵酸銅納米纖維的制備方法，具體包括以下步驟:
[0009](I)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于N，N_ 二甲基甲酰胺(DMF)中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?12%的DMF溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8?24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入一定量的乙酸銅(C4H6CuO4.H2O)和硝酸鐵(Fe(NO3)3.9H20) (C4H6CuO4.H2O和Fe (NO3) 3.9H20的摩爾比為1:2)，繼續(xù)室溫下攪拌5?10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。
[0010](2)將步驟⑴中的均勻溶液在靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，得到PVP/C4H6Cu04/Fe (NO3) 3復(fù)合納米纖維膜，紡絲電壓為16?25kV，接收距離為15?25cm，紡絲速度為0.3?2.0mL/ho
[0011](3)將步驟⑵中得到的PVP/C4H6Cu04/Fe (NO3)3復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至500?900°C，保持溫度3?6h，升溫速率為0.5?5°C /min,煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。
[0012]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0013](I)本發(fā)明的鋰離子電池負(fù)極材料CuFe2O4納米纖維制備工藝簡(jiǎn)單，一步煅燒就能得到純相產(chǎn)品，生產(chǎn)成本低廉，便于進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)。
[0014](2)本發(fā)明的鋰離子電池負(fù)極材料CuFe2O4納米纖維，具有較高的初始放電容量、較高的首次充放電效率和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中制備的CuFe2O4納米纖維的X射線衍射圖。
[0016]圖2為本發(fā)明中制備的CuFe2O4納米纖維負(fù)極材料的首周充放電曲線。
[0017]經(jīng)過X射線衍射儀分析(見圖1)，得知所制備樣品為純相的四方體型CuFe2O4納米纖維，結(jié)晶效果好，無雜峰。所得樣品經(jīng)過充放電性能測(cè)試(見圖2)，發(fā)現(xiàn)初始充電容量高達(dá)1434mAh/g，說明該材料作為一種鋰離子電池負(fù)極材料將具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]稱取1.739g的PVP溶解于20g DMF中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %的DMF溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8?24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.5g的C4H6CuO4.H2O和2.02g的 Fe (NO3) 3.9H20 (C4H6CuO4.H2O 和 Fe (NO3) 3.9H20 的摩爾比為 I: 2)，繼續(xù)室溫下攪拌5?10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為16cm，紡絲速度為0.5mL/h，得到PVP/C4H6Cu04/Fe (NO3) 3復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至800°C，保持溫度5h，升溫速率為1°C /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。
[0020]實(shí)施例2
[0021 ] 稱取1.978g的PVP溶解于20g DMF中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %的DMF溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8?24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.5g的C4H6CuO4 -H2O和2.02g的Fe (NO3) 3.9Η20 (C4H6CuO4.H2O 和 Fe (NO3) 3.9Η20 的摩爾比為 1:2)，繼續(xù)室溫下攪拌 5 ?10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為18kV，接收距離為20cm，紡絲速度為lmL/h，得到PVP/C4H6Cu04/Fe(N03)3復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至600°C，保持溫度4h，升溫速率為0.5°C /min,煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。
[0022]實(shí)施例3
[0023]稱取2.222g的PVP溶解于20g DMF中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的DMF溶液，放入磁性轉(zhuǎn)子，室溫下攪拌8?24小時(shí)，待溶液攪拌均勻后，再加入0.5g的C4H6CuO4 -H2O和2.02g的 Fe (NO3) 3.9H20 (C4H6CuO4.H2O 和 Fe (NO3) 3.9H20 的摩爾比為 I: 2)，繼續(xù)室溫下攪拌5?10小時(shí)至得到褐色均勻溶液。然后，將配置的均勻紡絲液在自制靜電紡絲裝置中進(jìn)行紡絲，紡絲電壓為20kV，接收距離為16cm，紡絲速度為0.3mL/h,得到PVP/C4H6Cu04/Fe (NO3) 3復(fù)合納米纖維膜。再將得到的復(fù)合納米纖維膜放入管式爐中煅燒，在空氣氛中從室溫升溫至700°C，保持溫度3h，升溫速率為2V /min，煅燒結(jié)束后自然降溫至室溫。