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一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料、制备方法和在锂离子电池中的应用

文献发布时间：2023-06-19 11:26:00

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料制备技术领域，具体涉及一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料、制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池是一种高新技术产品，同时也是一种新型高容量长寿命环保电池，由正负极板、固体电解质组成，产品性能卓越，主要用于电动自行车、电动汽车、电动摩托车、电动工具、太阳能光伏及风力发电储能系统、智能电网储能系统、移动通讯基站、电力、化工、医院备用UPS、EPS电源、安防照明、便携移动电源、笔记本电脑、电动玩具、矿山安全设备、数码产品等多种领域。与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、无记忆效应、可快速充放电、工作温度范围宽等诸多优点。

由于α型三氧化二铁有较高的理论容量(1007mAh/g)，极有希望可以作为锂离子电池的新一代负极材料。然而，这类材料在充放电过程中普遍存在体积变化过大和电导率低的缺点，这在很大程度上破坏了其电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的制备方法，首先制备出独特的花状α型三氧化二铁。再通过简单的水热反应合成花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料。花状结构能有效缓冲充放电过程中的体积变化，大幅提高负极材料结构完整性。硫化锌量子点有利于提高材料表面导电性，以及形成稳定的固体电解质膜，从而提高充放电循环稳定性；另一方面，量子点具有稳定性高、衰变时间长、毒性小、尺寸小、环境安全等特点，有利于材料的制备和性能的稳定。

本发明另一目的在于提供一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料，性能稳定，可存放较长时间；

本发明最后一个目的在于提供一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料在锂离子电池中的应用，用于制作锂离子电池，具有高电池容量和高稳定性。

本发明具体技术方案如下：

一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的制备方法，具体方法为：

花状α型三氧化二铁、锌源和硫源混合溶液进行水热反应，得到花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料。

所述花状α型三氧化二铁、锌源、硫源质量比为3-5:3.6-4.6:6.3-8.8。优选:3.8-4.5：4.1-4.4:6.5-7.5。

所述花状α型三氧化二铁在混合溶液中浓度为0.003-0.005g/mL。

所述锌源为硝酸锌或二水乙酸锌的一种或两种，用于提供锌源。

所述硫源选自硫脲或硫化钠的一种或两种，用于提供硫源，以及调控溶液酸碱性，有助于纳米颗粒的有序组装，生成量子点结构。

所述水热反应，具体为：在150-200℃条件下反应10-12h。

水热反应后，得到的产物经离心、洗涤，干燥，即可得到所述花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料。

所述干燥为真空干燥，条件下为：温度为30-80℃，优选40-60℃；所述干燥时间2-18小时，优选2-6小时。

进一步的，所述花状α型三氧化二铁的制备方法为水热合成法。合成方法简便经济，步骤如下：

将铁源和硫酸钠混合在水中，进行水热反应，产物煅烧，即得。

进一步的，所述铁源、硫酸钠和水的质量比为0.25-0.65：0.13-0.34：30-40；优选为：0.32-0.55g：0.17-0.29g：30-35。

所述铁源选自六水氯化铁或硫酸铁中的一种或两种，用于提供铁源；硫酸钠抑制了反应溶液中的脱水反应，增强了结构稳定性，并对花形结构的形成起到较强的控制作用。

优选的，所述铁源在浓度为0.026-0.069mol/L。

优选的，将铁源和硫酸钠混合在水中，搅拌混匀后，再进行水热反应；搅拌时间为5-20min，优选10-15min；

所述进行水热反应，反应温度为120-150℃；反应时间为6-8h，优选6-7h；

所述煅烧为在空气中煅烧，温度为400-700℃，优选500-600℃；煅烧时间为2-4h，优选2-3h。

优选的，水热反应后，将得到的产物经离心、洗涤，干燥后，再在空气中煅烧；所述干燥为真空干燥，温度为30-80℃，优选40-60℃；所述干燥时间2-18小时，优选2-6小时。

煅烧后，自然冷却，即可得到结构稳定的花状α型三氧化二铁。本发明制备的花状α型三氧化二铁的制备方法为水热合成法，其优点为简便、经济。

本发明提供的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料，采用上述方法制备得到。粒径范围为3-4μm花状结构能有效缓冲充放电过程中的体积变化，大幅提高负极材料结构完整性。另外，硫化锌量子点能提高锂离子电池的容量，从而提高了负极的电化学性能。

本发明提供的一种花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料在锂离子电池中的应用，作为锂离子电池负极材料，制作为锂离子电池负极，用于制作锂离子电池。

本方法通过水热合成法获得了粒径范围约为3-4μm的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料。花状结构能有效缓冲充放电过程中的体积变化，大幅提高负极材料结构完整性。另外，硫化锌量子点能提高锂离子电池的容量，从而提高了负极的电化学性能。以该材料作为锂离子电池的负极组装而成的锂离子电池，具有容量较高、循环寿命长、安全性能好、循环性能稳定的特点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)通过水热合成法制备合成材料，过程简单，可重复度高；

2)合成的复合材料经高温煅烧性能较为稳定，可存放较长时间；图3为存放一段时间后的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的XRD图。从图可证：存放一段时间后，复合材料仍稳定存在，未变质；

3)复合材料的花状结构可有效缓冲充放电过程中的体积变化，大幅提高负极材料结构完整性；

4)氧化铁经过高温煅烧，保存稳定；硫化锌量子点导电性好，利于增强电子传输，调节表界面性质。因此，将三氧化二铁与硫化锌量子点复合，有利于获得稳定表界面性质，以及增强电子传输速率，从而提高电池容量和稳定性。

附图说明

图1为实施例1制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的SEM图；

图2为实施例2制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的SEM图；

图3为实施例2制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料存放一段时间(30天)后的XRD图；

图4为实施例3制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的SEM图；

图5为实施例4制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的XRD图。

图6为实施例5制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料的SEM图；

图7为以实施例5制备的花状α型三氧化二铁/硫化锌量子点复合材料制备的锂离子电池负极进而组装成的锂离子电池在200mA·g

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例1