一种Fe2O3@NC@Mn3O4复合材料、制备方法及其应用

本发明属于锂电池负极材料，具体涉及一种fe2o3@nc@mn3o4复合材料、制备方法及其应用。

背景技术：

1、氧化铁(fe2o3)由于其理论比容量大(1007mah·g-1)、天然丰度高、环境友好、成本低和能量密度大而受到广泛研究。但是，fe2o3负极材料在使用时，锂化/脱锂过程中会产生巨大的体积变化(>200％)，这种巨大的体积变化可能会在充放电过程中导致电极材料粉化。此外，由于巨大的体积变化，固体电解质界面(sei)层可能会断裂，进而形成新的sei层，导致锂离子持续消耗，从而导致循环过程中容量快速衰减。复合材料的合理设计对复合材料整体性能和结构的确定至关重要。金属氧化物纳米复合材料对提高锂存储容量和延长负极材料的循环寿命有很大的帮助。经过多年的发展，这类复合材料的微观结构已经从简单的碳涂层发展到由多种材料组成的复杂复合材料。根据结构的不同，金属氧化物纳米复合材料可分为核壳结构复合材料、低维复合材料和多孔结构复合材料。

2、与fe2o3一样，mn3o4也是一种备受关注的储能材料，因为它具有低毒、低成本和优异的氧化还原能力。mn3o4理论储锂容量为936mah·g-1。因此，mn3o4与fe2o3的复合有望提高比容量。fe和mn阳离子之间可比较的离子半径促进了mno2和fe2o3之间的强相互作用。这种相互作用促进了fe与mn的取代(反之亦然)，从而使用锰离子掺杂fe2o3以增强锂存储。

3、然而金属氧化物复合材料在实际使用中仍然存在一些问题，包括在锂离子的脱出-嵌入过程中导电性差和体积膨胀过大。特别是在锂离子的嵌入过程中，mn3o4的体积甚至增加了96％。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种fe2o3@nc@mn3o4复合材料、制备方法及其应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、通过水热法制备纺锤形fe2o3纳米材料；在所述纺锤形fe2o3纳米材料表面包覆含氮有机物，惰性气氛下煅烧，制得氮掺杂碳包覆的fe2o3(fe2o3@nc)复合材料；将所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料加入到锰盐溶液中，通过水热反应在所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料表面生长纳米mn3o4颗粒，制得fe2o3@nc@mn3o4复合材料。

5、优选地，所述纺锤形fe2o3纳米材料的制备步骤包括：将铁盐与配位剂共溶于水，调节ph至1.8，置于反应容器中进行水热反应，即制得纺锤形fe2o3纳米材料。

6、更优选地，所述铁盐为六水合氯化铁；所述配位剂为三乙烯四胺；所述铁盐与所述配位剂的质量比为2:5；铁盐与配位剂的水热温度为130℃，时间为20h。

7、优选地，所述含氮有机物为多巴胺；所述纺锤形fe2o3纳米材料与所述含氮有机物的质量比为2:3；所述煅烧的温度为400℃，时间为2h。

8、优选地，所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料的质量与所述锰盐中锰元素摩尔量的比例为1g：0.25mmol。

9、优选地，所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料与所述锰盐的水热温度为160℃，时间为12h。

10、本发明技术方案之二：提供一种根据上述fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法制得的fe2o3@nc@mn3o4复合材料。

11、本发明技术方案之二：提供一种上述fe2o3@nc@mn3o4复合材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。

12、本发明的有益技术效果如下：

13、本发明采用水热法和低温煅烧相结合的方法合成了fe2o3@nc@mn3o4复合材料，通过氮、碳和mn3o4的引入可以提高电子电导率，并对体积变化提供双重缓冲作用，特别是杂原子功能化还可以为电极内离子吸附提供丰富的活性位点，从而获得与可逆容量、速率能力和循环性能相关的优异锂离子存储性能。使用fe2o3@nc@mn3o4作为锂离子电池的负极材料时，在0.2a·g-1的电流密度下循环200圈，fe2o3@nc@mn3o4保持933.6mah·g-1的稳定放电容量，具有较高的容量和优异的循环性能。

技术特征：

1.一种fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述纺锤形fe2o3纳米材料的制备步骤包括：将铁盐与配位剂共溶于水，调节ph至1.8，置于反应容器中进行水热反应，即制得纺锤形fe2o3纳米材料。

3.根据权利要求2所述的fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐为六水合氯化铁；所述配位剂为三乙烯四胺；所述铁盐与所述配位剂的质量比为2:5；铁盐与配位剂的水热温度为130℃，时间为20h。

4.根据权利要求1所述的fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述含氮有机物为多巴胺；所述纺锤形fe2o3纳米材料与所述含氮有机物的质量比为2:3；所述煅烧的温度为400℃，时间为2h。

5.根据权利要求1所述的fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料的质量与所述锰盐中锰元素摩尔量的比例为1g：0.25mmol。

6.根据权利要求1所述的fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳包覆的fe2o3复合材料与所述锰盐的水热温度为160℃，时间为12h。

7.根据权利要求1～6任一项所述fe2o3@nc@mn3o4复合材料的制备方法制得的fe2o3@nc@mn3o4复合材料。

8.权利要求7所述fe2o3@nc@mn3o4复合材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。

技术总结本发明公开了一种Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;@NC@Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料、制备方法及其应用，属于锂电池负极材料技术领域。本发明采用水热法和低温煅烧相结合的方法合成了Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;@NC@Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料，通过氮、碳和Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;的引入可以提高电子电导率，并对体积变化提供双重缓冲作用，特别是杂原子功能化还可以为电极内离子吸附提供丰富的活性位点，从而获得与可逆容量、速率能力和循环性能相关的优异锂离子存储性能。使用Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;@NC@Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;作为锂离子电池的负极材料时，在0.2A·g<supgt;‑1</supgt;的电流密度下循环200圈，Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;@NC@Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;保持933.6mAh·g<supgt;‑1</supgt;的稳定放电容量，具有较高的容量和优异的循环性能。技术研发人员：党丽赟,胡继勇,宋永新,郭艳,金梦茹,张清源,张佳妮,高源,刘梦娇受保护的技术使用者：河南城建学院技术研发日：技术公布日：2024/6/2