[发明专利]一种掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料及其制备方法。本发明方法包括：a.将可溶性铁盐、抗坏血酸和腐殖酸完全溶解在溶剂中，然后加入尿素，搅拌均匀后，将混合溶液进行溶剂热反应，160‑220℃反应8‑16h，反应后离心分离、清洗、干燥并收集粉末状样品；b.将步骤a获得的样品在保护气氛下400‑600℃煅烧2‑6h，得到掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料。该复合材料具有高比容量、优越倍率性能和循环性能，优化条件下，在0.5A/g的电流密度下，循环200次后的容量为1092.4mAh/g，在10A/g的高电流密度下，循环2000次后依旧拥有586mAh/g的可逆容量。

技术领域

本发明属于能源新材料领域，具体涉及一种掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料及其制备方法。

背景技术

传统的锂离子电池是以商业石墨作为负极材料，但其理论比容量仅为372mAh/g，这严重限制了锂离子电池能量密度的进一步提高和实际应用。此外，锂金属的析出电位与石墨的嵌锂电位接近，过充时容易产生锂枝晶，从而导致电池短路，引发安全问题。因此，研究者致力于寻求更高容量和安全的新型负极材料，来满足日益增长的性能需求。到目前为止，经过研究者不断的努力，已经发现和探索了锡基、硅基、金属氧化物等负极材料，有希望取代有限比容量的石墨。其中，四氧化三铁(Fe₃O₄)是一种低成本，藏量丰富，对环境无害的金属氧化物。Fe₃O₄适合作为锂离子电池负极材料主要是由于它具有较高的理论比容量(～926mAh/g)和相对高的安全嵌锂电位(～0.8V)。因此，研究制备拥有高性能、易制取以及低成本的新型Fe₃O₄基锂离子电池负极材料，不仅顺应当今社会发展的需求，而且具有显著的经济效益和战略意义。

与大块的金属氧化物相比，纳米金属氧化物由于其大的比表面积和较小的粒径，提供了更短的锂离子嵌入/扩散长度和更多的电化学活性位点，是材料获得高倍率和长循环性能的关键因素。然而，纳米颗粒趋于聚集以最小化其表面能，容易导致其容量急剧下降，循环稳定性差，如何获得并使材料在充放电过程中保持纳米尺寸是一个挑战。此外，如何克服半导体氧化物在充放电过程中存在的巨大体积变化(200％以上)，以及改善其较差的电子导电率，是另外两个重要的要攻克的课题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，通过使用均匀的碳层包覆纳米金属氧化物，氧化物的尺寸仅有10nm左右，被三维碳骨架均匀包围在中间，能有效解决材料的导电性并缓冲其体积膨胀问题，从而改善其电化学性能。此外，对碳层进行氮元素掺杂，进一步改善复合材料了的导电性。

本发明提供一种掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料及其制备方法，该制备工艺过程简便、易于规模化，所合成材料应用于锂离子电池，具有高的比容量、高倍率和长循环性能。

本发明的一种掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a.将可溶性铁盐、抗坏血酸和腐殖酸完全溶解在溶剂中，然后加入尿素，搅拌均匀后，将混合溶液进行溶剂热反应，160-220℃反应8-16h，反应后离心分离、清洗、干燥并收集粉末状样品；

b.将步骤a获得的样品在保护气氛下400-600℃煅烧2-6h，得到黑色的掺氮碳包覆纳米四氧化三铁复合材料。

优选，所述的可溶性铁盐是氯化铁、乙酰丙酮铁、硝酸铁或其结晶水合物中的一种。

优选，所述的可溶性铁盐是六水合氯化铁。

优选，所述的六水合氯化铁、抗坏血酸、腐殖酸、尿素的质量比为54：3-8：3-8：40-80。

优选，所述的步骤a的溶剂为乙二醇。

优选，所述的步骤b的保护气氛为氮气或氩气。