一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，具体步骤包括：(1)分别配置一定浓度的铁盐水溶液、碳酸铵溶液和抗坏血酸，所述铁盐水溶液、碳酸铵溶液和抗坏血酸的摩尔浓度比为1：0.4：1.5～4；(2)将上述碳酸铵溶液加入到铁盐水溶液中，搅拌10～30分钟，然后将抗坏血酸加入到混合溶液中，搅拌分散后超声处理；(3)将分散好的溶液加入到反应釜中加热至120℃?180℃，保持时间为3h?24h；(4)加热好的反应釜自然冷却至室温，清洗，干燥后最后得到粉体即为锂离子负极用球形碳酸铁。该方法制备原料廉价易得，操作简单耗能少、无污染，制备出碳酸铁晶体呈规则球形，颗粒分散均匀，具有较好的材料稳定性，适合工业化生产。
【专利说明】
一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着锂离子电池的蓬勃发展和应用的更加广阔，市场对其便携性和能量密度提出了更高的要求。作为锂离子电池重要的组成部分，负极材料对性能的影响至关重要。然而，现有的商业化负极材料碳负极已难以满足这样的要求，因此对各种可替代型负极材料经行研究和改性是解决此问题的重要方法。
[0003]目前，负极材料从从储锂机制上可分为插入型，合金型和转换型三类。而转换型负极相对于合金型和插入型电极具有高容量，充放电体积变化较小等优点，因此更适用于未来的锂电市场。以碳酸铁为代表的过渡金属碳酸盐作为新型的转换型锂离子电池负极材料，因其具有极高的电化学活性潜力，自2007年被第一次报道以来得到了极大的关注，但是同其他基于转化反应机理的材料类似，碳酸铁等过渡金属碳酸盐负极材料同样存在在充放电过程中体积变化大，结构崩溃，容量下降，进而导致锂离子电池电化学性能衰减，严重影响了此类材料的在锂离子电池方面的实际应用。为此，研究人员往往通过颗粒形貌控制等改性手段对已制备完成的碳酸铁材料进行进一步加工处理，以期提高其结构稳定性，然而这些改性方法往往制备过程繁琐、制备条件苛刻、能耗高，所得到产品不尽人意，不利于工业化实际生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种本发明所提供的用作锂离子电池负极材料的球形碳酸铁的制备方法，该方法制备原料廉价易得，操作简单耗能少、无污染，制备出碳酸铁晶体呈规则球形，颗粒分散均匀，具有较好的材料稳定性，同时能够有效提高锂离子电池循环稳定性，而且有利于对碳酸铁进一步修饰及改性，适合工业化生产。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)分别配置一定浓度的铁盐水溶液、碳酸铵溶液和抗坏血酸溶液，所述铁盐水溶液、碳酸铵溶液和抗坏血酸溶液的摩尔浓度比为1:0.4:1.5?4;
[0008](2)将上述碳酸铵溶液加入到铁盐水溶液中，搅拌10?30分钟，然后将抗坏血酸加入到混合溶液中，搅拌分散后超声处理；
[0009](3)将分散好的溶液加入到反应釜中加热至120°C-180°C，保持时间为3h_24h；
[0010](4)加热好的反应釜自然冷却至室温，清洗，干燥后最后得到粉体即为锂离子负极用球形碳酸铁。
[0011 ]其中步骤(I)中的铁盐指氯化铁，硫酸铁的一种或两种；
[0012]优选的，所述步骤(I)中，铁盐为氯化铁；
[0013]优选的，所述步骤(I)中，铁盐水溶液的浓度为0.025?0.1摩尔/升；
[0014]优选的，所述步骤(2)中，超声处理频率为15-22HZ，处理时间为10?30分钟；
[0015]优选的，所述步骤(3)中，加热温度为170°C，保持时间为6h。
[0016]本发明还提供根据上述方法制备得到的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁材料。
[0017]此外，本发明还提供一种锂离子电池负极，所述电池负极的材料为如前所述的球形碳酸铁材料。
[0018]最后，本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极材料为如前所述的球形碳酸铁材料。
[0019]有益效果:
[0020]1.本发明制备材料廉价易得，制备方法简单易操作，耗能少，仅在相对较低温度下反应即可得到最终产品，产物不需后处理，反应过程环保安全，无有毒有害物质产生；
[0021 ] 2.本发明所得碳酸铁颗粒呈规则球形，粒度分布均匀，纯度高，具有较好的材料稳定性，能够有效提高锂离子电池循环稳定性，而且有利于对其进一步修饰及改性，适合工业化生产。
【附图说明】
[0022]图1为实施例1中所得粉体的SEM图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
[0024]实施例1
[0025](I)配制浓度为0.1摩尔/升的氯化铁溶液，搅拌分散；
[0026](2)配制0.04摩尔/升的抗坏血酸溶液，搅拌分散；
[0027](3)配制0.15摩尔/升的碳酸铵溶液，搅拌分散；
[0028](4)将上述碳酸铵溶液加入到铁盐水溶液中，搅拌30分钟，然后将抗坏血酸加入到混合溶液中，搅拌分散后超声分散，超声处理频率为15Hz，处理时间为1分钟；
[0029 ] (5)将分散好的溶液加入到反应釜中加热至120 0C保持3小时；
[0030](6)加热好的反应釜自然冷却至室温，清洗，干燥后最后得到粉体。
[0031]得到粉体的测试结果:
[0032]SEM形貌如图1中所示，所制得碳酸铁颗粒为表面光滑的球形晶体；
[0033]采用电池测试系统对球形碳酸铁进行测试，在电流密度lOOmAg—1条件下得到初始容量为1202mAh/g，循环100周后容量稳定值530mAh/g，即容量保持率为44%，证明其具有良好的电化学循环稳定性。
[0034]实施例2
[0035](I)配制浓度为0.025摩尔/升的氯化铁溶液，搅拌分散；
[0036](2)配制0.01摩尔/升抗坏血酸溶液，搅拌分散；
[0037](3)配制0.1摩尔/升的碳酸铵溶液，搅拌分散；
[0038](4)将上述碳酸铵溶液加入到铁盐水溶液中，搅拌30分钟，然后将抗坏血酸加入到混合溶液中，搅拌分散后超声分散；
[0039 ] (5)将分散好的溶液加入到反应釜中加热至170 °C保持6小时；
[0040](6)加热好的反应釜自然冷却至室温，清洗，干燥后最后得到粉体。
[0041]得到粉体的测试结果:
[0042]采用电池测试系统对球形碳酸铁经行测试，在电流密度lOOmAg—1条件下得到初始容量为1220mAh/g，循环100周后容量稳定值560mAh/g，即容量保持率为46%。实验证明其具有良好的电化学循环稳定性。
[0043]对比例I
[0044]方法步骤同实施例1，唯一区别点在于使用尿素替换碳酸铵。
[0045]采用电池测试系统对制得碳酸铁进行测试，在电流密度lOOmAg—1条件下得到初始容量为980mAh/g，循环100周后容量稳定值392mAh/g，即容量保持率为40%。
[0046]由对比例I可知，使用尿素作为碳酸根来源后所得碳酸铁其初始容量和容量稳定值较本申请均大幅度下降，循环100周后容量保持率也相应降低，电化学循环稳定性差。
[0047]对比例2
[0048]方法步骤同实施例1，唯一区别点在于使用水合肼替换抗坏血酸。
[0049]采用电池测试系统对制得碳酸铁进行测试，在电流密度lOOmAg—1条件下得到初始容量为855mAh/g，循环100周后容量稳定值292mAh/g，即容量保持率为34%。
[0050]由对比例2可知，使用水合肼作为还原剂后所得碳酸铁其初始容量和容量稳定值较本申请均大幅度下降，循环100周后容量保持率也相应降低，电化学循环稳定性差。
[0051]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1.一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)分别配置一定浓度的铁盐水溶液、碳酸铵溶液和抗坏血酸，所述铁盐水溶液、碳酸钱溶液和抗坏血酸的摩尔浓度比为1:0.4:1.5?4； (2)将上述碳酸铵溶液加入到铁盐水溶液中，搅拌10?30分钟，然后将抗坏血酸加入到混合溶液中，搅拌分散后超声处理； (3)将分散好的溶液加入到反应釜中加热至120°C -180 °C，保持时间为3h-24h ； (4)加热好的反应釜自然冷却至室温，清洗，干燥后最后得到粉体即为锂离子负极用球形碳酸铁。2.如权利要求1所述的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中铁盐水溶液的浓度为0.025?0.1摩尔/升。3.如权利要求1所述的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中的铁盐指氯化铁、硫酸铁的一种或两种。4.如权利要求3所述的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中铁盐为氯化铁。5.如权利要求1所述的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，超声处理频率为15-22HZ，处理时间为10?30分钟。6.如权利要求1所述的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热温度为170°C，保持时间为6h。7.如权利要求1-6任意一项所述制备方法得到的一种锂离子电池负极用球形碳酸铁材料。8.—种锂离子电池负极，其特征在于，所述电池负极的材料为权利要求7所述的球形碳酸铁材料。9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的负极材料为权利要求7所述的球形碳酸铁材料。
【文档编号】H01M4/58GK105845893SQ201610331262
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】张建新, 冯小钰, 张君楠, 张风太
【申请人】山东大学, 山东威能环保电源科技股份有限公司