利用胶体核壳结构α‑Fe2O3材料制备锂离子电池阳极的方法与流程

本发明属于锂离子电池阳极的制备技术领域，具体涉及一种利用胶体核壳结构α-fe2o3材料制备锂离子电池阳极的方法。

背景技术：

纳米颗粒组成的三维超结构展现出优异的物理和化学性能，这种将基本的结构单元组装成功能的复杂超结构引起了化学、物理及材料科学界研究学者的巨大兴趣。胶体结构（colloidosome）是这种三维超结构之一，作为超结构中的一种重要类型的胶体结构，是具有中空结构和壳层的微胶囊或微球，壳层一般是由密堆积胶状粒子或凝固的胶体粒子组成。自从研究学者使用微米级的聚苯乙烯球（ps球）和油包水型的悬浮液首次合成出胶体后，其优异的机械稳定性、可控的粒径分布及前驱体粒子的磁性、光学、荧光性质引起了广大科研人员的兴趣，大量研究了其在药物传输、香料和染料的释放、能量存储及光子器件等方面的潜在应用。

在新型存储能器件（锂离子电池、超级电容器和染料敏化太阳能电池）电极材料是一个重要组成部分，作为锂离子电池阳极材料，金属氧化物中空球因其中空特性有利于锂离子的扩散而引起了广泛的关注。此外，中空球大的比表面积为电解质和活性材料提供了充分的接触位点，提高了电池反应效率，独特的中空内部结构使该材料能够抵抗锂离子嵌入和脱出带来的体积变化。作为三维中空超结构的胶体结构包含了所有中空结构的特质，有可能成为能源存储和输出的理想材料。更为可贵的是，胶体粒子的渗透性更有利于电解质和活性物质的接触。在金属氧化物中，α-fe2o3理论比容量约为1000mah/g，因其无毒、来源广泛及成本低廉等特点，正在成为能源存储材料的潜在竞争者。然而，传统合成胶体的方法是先合成胶体球，再在水油界面实现胶体粒子的自组装，该过程比较繁琐、耗时，限制了胶体的实际应用。简便可控的合成胶体α-fe2o3的方法仍然是巨大的挑战，尽管胶体的合成已经取得了部分成就，本发明设计了一种简便的方法以甘氨酸作为结构导向剂，使用水、乙醇混合溶剂热法，利用自下而上法控制反应时间、反应条件，制备出胶体核壳结构α-fe2o3材料，尝试用这种理论上有较好的应用做锂离子电池阳极材料制作锂离子电池，对锂离子电池的研究和应用将具有重要的科研意义和实用价值。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种利用胶体核壳结构α-fe2o3材料制备锂离子电池阳极的方法，以甘氨酸作为结构导向剂，使用水、乙醇混合溶剂热法，利用自下而上法控制反应时间、反应条件制备出胶体核壳结构α-fe2o3材料，然后用这种材料制备锂离子电池阳极。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，利用胶体核壳结构α-fe2o3材料制备锂离子电池阳极的方法，其特征在于具体步骤为：

（1）胶体核壳结构α-fe2o3材料的制备

将0.8mmol氯化铁及0.5g结构导向剂甘氨酸溶于5ml去离子水与15ml乙醇的混合溶液中，在氮气保护下持续搅拌5min，然后将混合物转移至反应釜中于150℃加热反应15h，反应结束自然冷却至室温后，离心收集沉淀，用乙醇多次洗涤，再于60℃干燥得到胶体核壳结构α-fe2o3材料；

（2）锂离子电池阳极的制备、

将活性物质胶体核壳结构α-fe2o3材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比为60:30:10的比例混合均匀，再加入n-甲基吡咯烷酮调制成浆状浆料，然后使用涂膜仪将浆料均匀铺于铜箔上，于120℃真空干燥12h，切片得到锂离子电池阳极。

本发明具有以下有益效果：本发明首次利用胶体核壳结构α-fe2o3材料制备锂离子电池阳极，制得的锂离子电池阳极具有比容量大、无毒、来源广泛和成本低廉等特点，因此具有重要的潜在实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的胶体核壳结构α-fe2o3材料的xrd图；

图2是本发明实施例1制得的胶体核壳结构α-fe2o3材料的sem图；

图3是本发明实施例2制得的锂离子电池阳极组装成电池性能测试结果，a为电池的cv曲线，b为在电流密度为0.4a·g^-1时核壳结构α-fe2o3电极电池第1、2、10、20、50、100、150、180圈的充放电曲线，c为电流密度为0.4a·g^-1下样品的循环曲线，内附图是电流密度为0.1a·g^-1下样品的循环曲线，d为不同电流密度下的倍率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但并不以任何形式限制本发明的内容。

实施例1

胶体核壳结构α-fe2o3材料的制备

称取0.8mmol氯化铁（fecl3·6h2o，分析纯，国药集团化学试剂有限公司）及0.5g甘氨酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）溶于5ml去离子水与15ml乙醇的混合溶液中，在氮气保护环境中置于磁力搅拌器上持续搅拌5min，然后将混合物转移至50ml聚四氟乙烯内胆的反应釜中，于150℃加热反应15h，反应结束自然冷却至室温后，离心收集沉淀，用乙醇多次洗涤，再于60℃干燥得到胶体核壳结构α-fe2o3材料。对所得样品进行测量x射线粉末衍射（xrd）图谱如图1所示。所有的衍射峰都可以指标化为六方相的α-fe2o3（标准卡片为jcpdsno.33-0664），并没有杂质峰出现，表明产物是纯的六方相α-fe2o3，尖锐的峰型预示着样品具有良好的结晶性。图2显示了所得α-fe2o3样品的扫描电子显微镜（sem）照片，从sem照片可以看到样品是直径约3μm的球状胶体结构，α-fe2o3胶体的壳是由约500nm的纳米盘组装而成的。

实施例2

锂离子电池阳极的制备

将活性物质胶体核壳结构α-fe2o3材料、乙炔黑（导电剂）和聚偏氟乙烯（pvdf）按照质量比为60:30:10的比例混合均匀，再加入一定量的n-甲基吡咯烷酮（nmp）调制成浆状浆料，然后使用涂膜仪把浆料均匀铺于铜箔上，于120℃真空干燥12h，切片得到锂离子电池阳极。

锂离子电池性能测试，使用金属锂片为对电极和参比电极，隔膜为celgard聚丙烯多孔膜，电解液为1mol·l^-1lipf6（溶解于体积比为1:1:1的ec/dmc/dec混合溶液中），在充满氩气保护中组装成cr2032型纽扣电池。组装完毕后，在landct2001电池测试系统完成测试，测试电压范围为0.01-3.0v，如图3所示。使用chi660d电化学工作站测试电池的循环伏安曲线，如如图3c所示。所得结果证明胶体核壳结构α-fe2o3材料制得的锂离子电池阳极将展现出较好的锂离子电池性能。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种利用胶体核壳结构α‑Fe2O3材料制备锂离子电池阳极的方法，属于锂离子电池阳极的制备技术领域。本发明的技术方案要点为：以甘氨酸作为结构导向剂，使用水、乙醇混合溶剂热法制备出胶体核壳结构α‑Fe2O3材料；将活性物质α‑Fe2O3材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯混合均匀，再加入N‑甲基吡咯烷酮调制成浆料，使用涂膜仪将浆料均匀铺于铜箔上，于120℃真空干燥12h，切片得到锂离子电池阳极。本发明制得的锂离子电池阳极具有比容量大、无毒、来源广泛和成本低廉等特点，因此具有重要的潜在实用价值。

技术研发人员：郭志超;申建芳;张丽伟;程素君
受保护的技术使用者：新乡学院
技术研发日：2017.04.17
技术公布日：2017.07.14