[发明专利]N掺杂FeMnO3

说明书

本发明公开了一种N掺杂FeMnO₃电极材料的制备方法及其应用。按铁、锰的摩尔比为1:1混合七水合硫酸亚铁和一水合硫酸锰，加入蒸馏水溶解，配置铁锰混合溶液；以氨水溶液作为沉淀剂在恒温25℃下进行共沉淀反应，反应结束后，进行陈化、过滤、洗涤、冷冻干燥操作，获得前驱体；称取0~1.5 g分析纯NH₄HCO₃溶解于15 mL乙醇水溶液中，向其中加入0.1 g前驱体，搅拌均匀后转移至坩埚中，将坩埚置于马弗炉中于1000℃下进行退火处理，制得N掺杂FeMnO₃电极材料。该N掺杂FeMnO₃电极材料应用于锂离子电池负极材料，其循环性能和倍率性能显著优于FeMnO₃电极材料，具有非常出色的储锂性能。本发明的制备方法步骤简单、原料易得、成本低、操作参数易于控制，便于规模化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料的技术领域，具体涉及一种高性能N掺杂FeMnO₃电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着人们对电动汽车、便携式电子设备和大规模能量存储体系的需求的不断增加，开发能量/功率密度更高、安全性更好、成本更低的高性能锂离子电池已成为电化学储能领域的研究热点。电极的电化学性能对锂离子电池整体性能起着至关重要的作用。然而，商业上广泛使用的碳基负极材料的理论容量很低（372 mAh/g），且存在安全隐患。FeMnO₃是一种典型的双过渡金属氧化物，具有理论比容量高（~1010 mAh/g）、成本低、来源丰富、安全性好等优点，被认为是一种很有应用前景的新型锂离子电池负极材料。但是，FeMnO₃作为锂离子电池负极材料存在电导率低、倍率性能差、动力学反应迟缓等问题，这严重阻碍了该材料的实际应用。为了解决这些问题，最常用的方法是与碳材料复合和制备纳米形貌的FeMnO₃。这些方法在一定程度上改善了FeMnO₃的储锂性能。但是，碳材料的加入将减少活性材料的含量、降低最终产品的振实密度，使锂离子电极的能量密度降低；而构建独特的纳米形貌通常会降低材料的振实密度、增加电化学反应中的副反应。另外，FeMnO₃自身的结构也不会因为构建独特的纳米形貌或与碳材料复合而发生变化。金属氮化物由于具有良好的导电性、高的化学和热稳定性，已被公认为一种极具发展前景的锂离子电池和超级电容器的电极材料。N掺杂可以改变金属氧化物的电子结构和电化学性能。然而，目前关于N掺杂FeMnO₃电极材料的制备以及作为锂离子电池负极材料的应用还未见报道。为此，本发明提出一种利用NH₄HCO₃辅助制备N掺杂FeMnO₃电极材料的方法，并将其作为锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种N掺杂FeMnO₃电极材料的制备方法及其应用。

制备N掺杂FeMnO₃电极材料的具体步骤为：

(1) 按铁和锰的摩尔比为1:1的比例分别称取七水合硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）和一水合硫酸锰（MnSO₄·H₂O）并混合，加入蒸馏水溶解，制得铁离子和锰离子浓度均为0.10mol/L的铁锰混合溶液。

量取步骤(1)所得的铁锰混合溶液100 mL置于500 mL反应器中，在恒温25 ℃的条件下边搅拌边向其中逐滴加入2.67 mol/L的氨水溶液200 mL，搅拌速度为350转/分钟；氨水滴加完以后，再持续搅拌反应3小时，停止搅拌；然后将反应器置于室温下静置陈化12小时；最后对沉淀进行过滤、洗涤、冷冻干燥，获得前驱体粉体。