[发明专利]一种尖晶石型高熵氧化物电极材料及其制备方法

说明书

一种尖晶石型高熵氧化物电极材料及其制备方法，属于纳米材料制备及新能源领域，所述的高熵氧化物电极材料化学式为(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O中的一种；制备方法：1)将氧化铁、氧化铬、氧化锰以及M金属氧化物混合球磨；M金属氧化物为氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化钴中的两种或多种；2)高温煅烧，采用随炉冷却、空气淬火和液氮淬火的冷却方式，得到尖晶石型高熵氧化物电极材料。本发明的高熵氧化物颗粒直径100～500nm，所述高熵氧化物根据XRD确定为尖晶石结构；所述材料的空间群为Fd‑3m，其比表面积为5～100m²g^‑1。

技术领域

本发明属于纳米材料制备及新能源领域，主要涉及一种尖晶石型高熵氧化物电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有诸多优良的特性在商业化市场中一直占有重要的地位。然而近年来，随着移动电子设备的不断进化、可持续能源供应体系的快速发展以及新能源汽车的日益普及，人们对锂离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命等方面的要求越来越高。负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一，而目前市场上主流的碳负极材料存在着实际比容量低(约为300mAh/g～330mAh/g，理论比容量为372mAh/g)、首次不可逆损失大、倍率充放电性能差等问题。因此，积极探索新型高容量锂离子电池负极材料体系，已成为国内外研究的热点。

过渡金属氧化物(如ZnO、CuO、FeO、NiO、CoO、MnO等)因其较高的理论比容量一度成为最有希望的候选者。但仍存在着体枳变化较大、导电性与锂扩散能力不足等问题，限制了性能的充分发挥。研究者通过向单金属氧化物中进行掺杂以获得双金属甚至多金属氧化物，如ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、FeCo₂O₄和Co_1-xZn_xFe₂O₄等，获得了改善的电化学活性以及更强的电导率。研究者将这一性能的改善归因于材料自身的缺陷或者氧空位的增加。

为了解决单一的过渡金属氧化物负极材料容量有限、循环稳定性差、嵌锂/脱锂过程中体积膨胀等问题，我们将目光放在了多主元的高熵氧化物上。以期通过多金属协同作用，更大程度地增加缺陷和氧空位，进而深度提高材料的电化学性能。高熵氧化物是最近几年在高熵合金的基础上发展的一种新型陶瓷材料，具有多种金属元素在原子水平均匀分散的特点。且材料具有迟滞扩散效应，因而其微观结构稳定。研究发现，掺杂Li⁺、Na⁺、K⁺、Ga³⁺后的高熵氧化物表现出超快的离子电导率，是一种非常有潜力的电极材料。

本发明将研究的焦点集中在如何用简单有效的办法提高电极的缺陷结构，以及提高材料的导电性，设计合成了尖晶石结构的高熵氧化物，并研究了该材料的电化学性能。目前，尚未见到关于高熵氧化物(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O电极材料用作锂离子电池负极材料的报道。而且所采用的制备技术简单，可重复性强，适合于工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种尖晶石型高熵氧化物电极材料及其制备方法。本发明的电极材料具有良好的电化学性能，可作为高性能锂离子电池的负极材料。

本发明的一种尖晶石型高熵氧化物的电极材料，(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O；本发明提供一种尖晶石结构的高熵氧化物，所述高熵氧化物颗粒直径100～500nm，所述高熵氧化物为尖晶石结构；所述材料的空间群为Fd-3m，其BET比表面积为5～100m²g^-1。