[发明专利]一种镍铁电池用核双壳结构负极纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镍铁电池用核双壳结构(Fe‑Ni@Fe₃O₄@C)负极纳米材料及其制备方法和应用。将铁源、镍源及有机络合剂分别加入到有机溶剂中溶解，混合均匀后搅拌、加热蒸干得到前驱体，之后在保护气氛中经高温烧结得到目标材料。所得材料为核双壳结构的Fe‑Ni@Fe₃O₄@C且具有较高的比表面积。Fe‑Ni@Fe₃O₄@C作为镍铁电池负极材料，具有高的放电比容量和优异的循环稳定性能。该制备方法工艺流程短，操作简单，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明属于高能电池材料技术领域，具体涉及一种高性能的具有核双壳结构的镍铁电池铁电极负极纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

镍铁电池是一种有着广泛用途的可充电电池。在美国，前苏联，瑞典，德国和日本，镍铁电池被充分地应用在各个方面。由于铁资源丰富，成本低廉，环保无污染，近年来镍铁电池引起了研究者的广泛关注。但是目前镍铁电池的研究还不够完善，存在充放电效率低、自放电严重和容易钝化等问题，严重制约了镍铁电池的性能，因此开发新型具有高性能的铁电极材料是改善镍铁电池性能的重要途径。

Fe₃O₄作为一种过渡金属氧化物，具有环境友好，生产成本低廉，制备方法简单，资源丰富，理论比容量高(926mAh g^-1)等优点，应用前景广阔，己经广泛受到研究人员的关注，目前各种制备纳米四氧化三铁的方法已经被大量报道。研究发现，Fe₃O₄的放电容量和循环寿命与材料的合成方法及后续的热处理过程密切相关。研究者开展了大量掺杂和表面包覆改性的研究，旨在进一步提高其电化学性能。Gan等[New Journal of Chemistry,38(2014),2428]通过无模板的水热法成功制备了直径为500nm的介孔Fe₃O₄@C亚微球。该材料作为锂离子电池阳极材料表现出好的循环性能(在100mA g^-1下，50次循环后放电比容量为930mAh g^-1)和倍率性能(在1000mA g^-1下，放电比容量为710mAh g^-1)。Fan等[Journal ofMaterials Chemistry A 2(2014),14641]制备了具有核壳结构的碳包覆Fe₃O₄微球，碳壳约5-10nm厚。薄层碳壳可以避免Fe₃O₄直接暴露在电解质中，并保持球体的结构稳定性，抑制Fe₃O₄颗粒在充放电过程中的粉化和再团聚。Li等[Electrochimica Acta,178(2015),34]通过简易共沉淀法合成了高性能的Fe₃O₄应用于镍铁电池，探索了温度对结构和电化学性能的影响。结果表明退火温度是改进Fe₃O₄电化学性能一个关键因素。700℃热处理得到大量的多面体，比其他温度下处理的样品表现出更优异的电化学性能。Jiang等[RSC Advances,30(2014),15394]通过高温固相反应在石墨烯片上生长FeO_x纳米复合材料。由于FeO_x-石墨烯片相互作用具有良好的电化学活性和机械性能，该材料在镍铁电池中具有更好的倍率性能和循环稳定性能。

本发明设计了一步高温热解法，以铁盐为原料，以镍盐为镍源，以柠檬酸为碳源，通过在惰性气氛下烧结得到了具有核双壳结构的Fe-Ni@Fe₃O₄@C复合材料。相比于原始的Fe₃O₄/C，该复合材料的可逆容量和循环稳定性能都得到了显著提升，可以作为一种高性能的镍铁电池铁电极材料。

发明内容