[发明专利]一种铁基化合物复合氮掺杂石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种铁基化合物复合氮掺杂石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法，利用Fe₂O₃/NG（Fe₂O₃/氮掺杂石墨烯）进行微波等离子体辅助处理，设计并制造了一种固定在氮掺杂石墨烯上的Fe₂O₃/Fe₃O₄纳米聚集体，这种异质结构设计可以推广到锂离子电池和钠离子电池的其他氧化物基负极材料，也有可能推广到其他类型的电池。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法，尤其是一种铁基化合物复合氮掺杂石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法，属于新能源材料及其制备技术领域。

背景技术

全球锂资源的高成本和稀缺性极大地限制了锂离子电池在未来的大规模应用。钠离子电池由于其工作机理与锂离子电池相似、储量丰富、价格低廉、环境友好等特点，逐渐成为储能领域的研究热点。钠离子电池的发展依赖于寻找合适的基质材料来容纳更大的Na⁺(半径为0.102 nm)，以及比Li⁺更难插入和提取的离子。

Fe₂O₃具有理论容量大(∼1007 mAh g^-1)、资源丰富、成本低廉、环境友好等优点，是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而，Fe₂O₃在充放电过程中产生200%的体积膨胀，导致电极粉化和电极接触问题。另一方面，Fe₂O₃ (10^-14 S cm^-1)的低导电性和低离子扩散率限制了电池的倍率性能。另一种铁基氧化物Fe₃O₄比容量(926 mAh g^-1)略低，电导率(10² ~10³ S cm^-1)远高于Fe₂O₃。合理配制Fe₂O₃和Fe₃O₄可以提高电导率，促进氧化还原电荷的转移，从而提高速率性能。在超级电容器中已经证明，电导率高的Fe₃O₄和比容量高的Fe₂O₃协同产生优异的速率能力和循环稳定性。目前，锂离子电池中也出现过类似Fe₂O₃/Fe₃O₄的团聚体。

微波等离子体具有较高的电离和分解能力，利用这种较高的电离和离解降低了活化能，在氢气的作用下，增强了引发还原反应的动力学；将Fe₂O₃还原成Fe₃O₄，促进了更多Fe-O-C键的生成；由于提高还原反应的速率，从而减少反应时间；其次微波等离子体与热等离子体或标准热反应相比，可以实现更低的温度；最后微波等离子体的使用操作简单，安全便捷，成本低，因此微波等离子体处理对于电极材料有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种铁基化合物复合氮掺杂石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法，一方面微波处理后还原得到具有优异电子导电性的Fe₃O₄，促进了氧化还原电荷的转移；产生多孔的形貌加快了离子的传输；生成更多的Fe-O-C键，加固石墨烯与团聚体Fe₂O₃/Fe₃O₄的连接，保证了材料的结构的完整，提高了电池的循环稳定性，另一方面减少反应时间，降低反应温度，操作简单，成本低。

为了达到以上目的，本发明提供了一种铁基化合物复合氮掺杂石墨烯钠离子负极电池材料的制备方法，在真空条件下，包括以下步骤：