一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料。


背景技术：

2.在经济全球化的背景下，出现了许多社会问题，如基础资源（如煤炭、石油和天然气）的过度消耗和环境污染的加剧，导致能源紧缺。为此，寻找新的、可持续的、高效的储能技术，特别是电化学储能装置就变得尤为迫切。锂离子电池作为一种新型的可再生绿色能源，受到科学家们的广泛关注。然而，目前常见的负极材料为石墨基负极材料（理论比容量仅有372 mah/g），无法满足人们的生活需求。过渡金属氧化物因其较高的理论容量和高丰度，是石墨负极材料最有前途的替代物。
3.然而，由于过渡金属氧化物在充放电过程中容易引起较大的体积变化，造成材料结构的坍塌或粉化，阻碍电荷的运输，导致不可逆的容量损失，降低材料的循环稳定性。另外，过渡金属氧化物的电导率也普遍偏差，增加了电荷传输的难度，导致电池内阻偏大，这些都阻碍了金属氧化物的进一步应用；四氧化三铁以其高的可逆容量（928 mah/g)、储量丰富、安全性高、成本低等特点受到广泛关注。然而，仍有两个主要问题限制四氧化三铁负极的商业化。一是四氧化三铁电导率差，增加了电荷传输的难度，导致电池内阻偏大。二是四氧化三铁在充放电过程中容易引起较大的体积变化，造成材料结构的坍塌或粉化，不断形成不可逆的sei膜，最终导致电极材料不可逆的容量损失。
4.为了缓解四氧化三铁的体积膨胀，以及提高电极材料的导电性，已经进行了很多研究，主要从三个方面进行了总结。(1）设计与制备许多新型的四氧化三铁结构。如多孔结构、纳米棒、纳米片、纳米管、空心结构、核壳结构、蛋黄壳结构等，有效地抑制了四氧化三铁的体积效应。然而，特殊设计的具有独特结构的四氧化三铁材料由于成本高、工艺复杂，难以实现大规模使用。(2）四氧化三铁表面改性。利用碳涂层改性四氧化三铁表现出良好的电子导电性，但在高温处理然而碳涂层的增加会降低电极材料的比容量。有机聚合物涂层也被广泛尝试，但合成路线耗时且昂贵。更重要的是，很难找到一种既具有良好的力学性能又具有高锂离子电导率的有机涂层。
5.微胶囊技术在化工、食品、医药等领域得到了广泛的应用和发展。它是一种以弹性高分子材料为包膜材料，将芯材完全包裹的微纳米级复合材料。近10年来，不同的胶囊结构，如单壁单核、单壁多核、多壁单核、复合胶囊壁等，在特种功能材料的制备和应用中得到了迅速发展。这种胶囊结构具有一些特殊的优点:第一，胶囊芯在胶囊壳的保护下与外界隔离，从而减少空气、光线和水分对其的影响;其次，胶囊壳具有高弹性，可以缓解内部和内部对结构造成的破坏外部压力;第三，通过改变胶囊外壳和内核使用的材料，可以实现不同的功能。
6.近年来，微胶囊技术为锂离子电池领域提供了广阔的发展前景。聚甲基丙烯酸甲酯具有价格低廉、易于加工和优异的锂导电性等特点，十分有利于聚甲基丙烯酸甲酯在锂离子电池中的应用。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料及其制备方法，以解决背景技术中的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料，包括以下组分：5.0g曲通拉x-100、60ml甲基丙烯酸甲酯单体、0.6ml乙二醇二甲基丙烯酸酯、2.0g四氧化三铁粉末、0.6g2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）。
9.在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：一种如上述所述的四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤s1：称量曲通拉x-100溶解在去离子水中，并磁力搅拌10分钟分散均匀，得到混合溶液a；步骤s2：将甲基丙烯酸甲酯单体和乙二醇二甲基丙烯酸酯逐滴加入混合溶液a溶解，待溶液全部加入之后向其通入氩气吹鼓5分钟，并继续磁力搅拌30分钟，将其分散均匀，得到混合溶液b；步骤s3：向混合溶液b加入四氧化三铁粉末和2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）继续搅拌溶解，再将混合溶液在2000rpm下乳化15分钟，得到混合溶液c；步骤s4：将混合溶液c放入到水浴锅中继续磁力搅拌，待反应结束后，将混合溶液取出在95000rpm下离心5分钟，以及水洗，并将得到的沉淀物进行干燥，即得到锂离子电池负极材料。
10.在一种可选方案中：所述步骤s1和步骤s2中磁力搅拌的转速均为300-500r/min。
11.在一种可选方案中：所述步骤s3中的乳化是在转速为2000rpm条件下进行的。
12.在一种可选方案中：所述步骤s4中干燥处理的方式为将得到的沉淀物真空干燥箱中120℃保温12小时。
13.在一种可选方案中：所述步骤s4中混合溶液c在水浴锅中加热至45℃并保温5小时。
14.在一种可选方案中：所述步骤s4中水洗的方式是通过去离子水洗三次以及乙醇清洗一次。
15.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：通过以四氧化三铁为芯材，聚甲基丙烯酸甲酯为壳材，合成出四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊，不仅可以通过胶囊外壳保护芯材四氧化三铁粉化不断形成sei膜的风险，还可以通过外壳聚甲基丙烯酸甲酯优良的离子导电性，提高地氧化三铁的离子导电性。
16.本发明可以提高四氧化三铁的导电率，降低其界面转移电阻，另外微胶囊外壳可以缓解充放电过程中电极材料受到的应力，提高四氧化三铁的循环稳定性。
附图说明
17.图1为四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊负极材料sem图。
18.图2为四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊负极材料的循环性能图。
具体实施方式
19.本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
20.实施例1一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料，包括以下组分：5.0g曲通拉x-100、60ml甲基丙烯酸甲酯单体、0.6ml乙二醇二甲基丙烯酸酯、2.0g四氧化三铁粉末、0.6g2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）。
21.一种如上述所述的四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤s1：称量曲通拉x-100溶解在去离子水中，并磁力搅拌10分钟分散均匀，得到混合溶液a；步骤s2：将甲基丙烯酸甲酯单体和乙二醇二甲基丙烯酸酯逐滴加入混合溶液a溶解，待溶液全部加入之后向其通入氩气吹鼓5分钟，并继续磁力搅拌30分钟，将其分散均匀，得到混合溶液b；步骤s3：向混合溶液b加入四氧化三铁粉末和2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）继续搅拌溶解，再将混合溶液在2000rpm下乳化15分钟，得到混合溶液c；步骤s4：将混合溶液c放入到水浴锅中继续磁力搅拌，待反应结束后，将混合溶液取出在95000rpm下离心5分钟，以及水洗，并将得到的沉淀物进行干燥，即得到锂离子电池负极材料。
22.所述步骤s1和步骤s2中磁力搅拌的转速均为300r/min。
23.所述步骤s3中的乳化是在转速为2000rpm条件下进行的。
24.所述步骤s4中干燥处理的方式为将得到的沉淀物真空干燥箱中120℃保温12小时。
25.所述步骤s4中混合溶液c在水浴锅中加热至45℃并保温5小时。
26.所述步骤s4中水洗的方式是通过去离子水洗三次以及乙醇清洗一次。
27.实施例2一种四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料，包括以下组分：5.0g曲通拉x-100、60ml甲基丙烯酸甲酯单体、0.6ml乙二醇二甲基丙烯酸酯、2.0g四氧化三铁粉末、0.6g2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）。
28.一种如上述所述的四氧化三铁@聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊结构的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤s1：称量曲通拉x-100溶解在去离子水中，并磁力搅拌10分钟分散均匀，得到混合溶液a；步骤s2：将甲基丙烯酸甲酯单体和乙二醇二甲基丙烯酸酯逐滴加入混合溶液a溶解，待溶液全部加入之后向其通入氩气吹鼓5分钟，并继续磁力搅拌30分钟，将其分散均匀，得到混合溶液b；步骤s3：向混合溶液b加入四氧化三铁粉末和2,2-偶氮双（2,4-二甲基戊腈）继续搅拌溶解，再将混合溶液在2000rpm下乳化15分钟，得到混合溶液c；步骤s4：将混合溶液c放入到水浴锅中继续磁力搅拌，待反应结束后，将混合溶液
取出在95000rpm下离心5分钟，以及水洗，并将得到的沉淀物进行干燥，即得到锂离子电池负极材料。
29.所述步骤s1和步骤s2中磁力搅拌的转速均为500r/min。
30.所述步骤s3中的乳化是在转速为2000rpm条件下进行的。
31.所述步骤s4中干燥处理的方式为将得到的沉淀物真空干燥箱中120℃保温12小时。
32.所述步骤s4中混合溶液c在水浴锅中加热至45℃并保温5小时。
33.参阅图1和图2，采用微乳液聚合的方法，制备了一种新型的含聚甲基丙烯酸甲酯外壳的硅微胶囊，其中聚甲基丙烯酸甲酯具有高锂电导率、高弹性、在电解质中具有一定的粘度以及良好的电解质保持能力。在2a/g的电流密度下，经过200次电化学循环后，新型硅胶囊负极在42a/g的电流密度下仍能保持1.2 ma h/cm2的容量，并能达到初始容量的66%以上。
34.所述步骤s4中水洗的方式是通过去离子水洗三次以及乙醇清洗一次。
35.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。