锂电池负极材料Fe2O3/Ag的合成及性能研究

崔仲平 黄恺

摘 要：开发锂离子电池的重要方向之一是寻找合适的电极材料，以保证锂离子电池的高能量密度、比容量及较好的导电性和循环性能。此研究工作针对纳米Fe2O3的缺陷，采用喷雾干燥法将其制备成微米级Fe2O3，同时结合Ag包覆以提高电池性能，这为将来如何提高电池导电循环性能、导锂能力，进而延长循环寿命提供了一定价值的研究依据。

关键词：三氧化二铁；锂离子电池；电池性能；喷雾干燥法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.199

1 实验原理

随着科技的发展，如今针对电极导电性差的改进方法颇多，掺杂、包覆等均可改善电极的电化学性能，在众多导电材料中，银是导电性较强的金属，其对电极的电化学性能会有很好的改善，银氨法操作较为简单，包覆均匀，应用广泛，故在本试验中采用银氨法制备锂离子电池负极复合材料Fe2O3/Ag。

银镜反应机理 ：

AgNO3+2NH3·H2O = Ag（NH3）2OH+HNO3+H2O （1）

HCHO+4Ag（NH3）2OH→ 4Ag↓+4H2O+6NH3 （2）

2 实验用试剂及仪器

试剂：硝酸铁（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）、结晶硫酸钠（分析纯）、蔗糖（分析纯）、无水乙醇（分析纯）、N-甲基-2-吡咯烷酮（分析纯）、盐酸（分析纯）。

仪器：实验型喷雾干燥机（DC-1500）、高温节能管式炉（KSS-1400℃）、行星式球磨机（QM-3SP04）、恒温磁力搅拌器（85-1）、电子天平（AUY120）、油压千斤顶（QYL10t）、电热恒温鼓风干燥箱（101-1）、玻璃仪器气流烘干器（C型）。

3 实验步骤

3.1 水热合成法制备纳米Fe2O3前驱体

取5g氢氧化钠配制成6mol/L的溶液；取20 g硝酸铁配制成2mol/L的溶液，将将两种溶液混合，在磁力搅拌器上搅拌至混合均匀。取0.05g硫酸钠配制成0.06mol/L溶液，加入至混合液中，在磁力搅拌器上搅拌至混合均匀。混合液加热4h后将上层清液取出转移烧杯中，加入蔗糖1.5g，加入蒸馏水至60mL，在磁力搅拌器上搅拌至混合均匀，以相同方法再制作两份混合液。

3.2 喷雾干燥法制备微米Fe2O3

用喷雾干燥器将样品干燥，收集到的产品用研钵研磨后得4.9131g样品。取4g样品置于坩埚中在管式炉中600℃焙烧3h，自然冷却后取出研磨得1.6971g样品。

3.3 银氨法制备Fe2O3/Ag复合材料

在1、2号烧杯中各加入甲醛溶液（37%）10mL、无水乙醇20mL，三氧化二铁0.3g，搅拌均匀后恒温水浴中加热到30℃。在3、4号烧杯中各加入硝酸银0.025g、0.05g，加入等量蒸馏水待完全溶解，取1mL氨水溶液（25%）稀释至50mL，在搅拌下缓慢滴加氨水至硝酸银溶液中生成沉淀恰好完全溶解呈透明，恒温水浴中加热至30℃。将3、4号的银氨溶液分别缓慢加入到1、2号烧杯中，搅拌均匀。反应后将Fe2O3/Ag包覆复合粉体洗涤、烘干，产品研磨装袋，银包覆量分别为5%，10%。

3.4 扣式电池组装

将制得的活性物质Fe2O3、Fe2O3/Ag5%、Fe2O3/Ag10%，以及S-P、PVDF（5%溶液） 按照 8：1 ： 1的比例，依次置于球磨罐中，用玻璃棒搅拌均匀并滴入N-甲基-2-吡咯烷酮至成泥状，球磨。将球磨好的物料混合物涂于铜片的一面，烘干。以自制的铜片电极为负极组装成扣式电池。

3.5 电化学性能测试

3.5.1 充放电实验

实验得出，Fe2O3/Ag样品的电池容量明显提高，Fe2O3/Ag5%与Fe2O3/Ag10%的库伦效率分别提高了7.13%及27.63%，不可逆容量由589 mAh/g降低为525.9mAh/g及338.1mAh/g，Fe2O3/Ag10%样品比Fe2O3/Ag5%样品性能提高更为明显。

3.5.2 循环性能

设置参数循环次数为20次，充放电电流为0.1C，静置时间是1min，充放电电压范围为0.7～2.5V。实验得出，Fe2O3样品，其容量最低；Fe2O3/Ag5%样品容量与纯Fe2O3样品容量几乎没有区别，均稳定在50mAh/g，这可能是由于因的包覆量较小，以至于性能没有得到显著地提高；Fe2O3/Ag10%样品容量有明显提高，性能较好。

3.5.3 交流阻抗测试

实验得出，Fe2O3材料电荷转移阻抗为254.6Ω，而Fe2O3/Ag5%与Fe2O3/Ag10%材料的电荷转移阻抗减小量分别为112.9Ω、67.07Ω。因为用喷雾干燥法制备的微米Fe2O3，粒径小使Li+发生迁移的通道减小，从而阻抗明显减小；同时包覆Ag能够增强电极材料的导电性能，较为稳定。

4 结论

（1）Fe2O3/Ag电极材料的充放电容量有明显的提高。

（2）包覆银的电极材料导电性更好，并且不可逆容量显著降低。

（3）通过电化学测试可知，包覆银的电池容量明显提高，循环性能增强，且有平坦的放电平台，比容量及储锂能力显著提高，库仑效率明显提高。

（4）材料的电化学性能Fe2O3/Ag10%最佳，Fe2O3/Ag5%次之，Fe2O3最差。

参考文献：

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作者简介：崔仲平（1989-），女，山东淄博人，硕士研究生，研究方向：配位化合物及多酸的合成与性能研究。