[发明专利]三氧化二铁/三氧化二锰空心多孔球材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球电极材料及其制备与应用。

背景技术

锂离子电池以其高效、绿色、成本低的特点广泛应用于便携储能器件中，然而实现商业化应用的负极材料——石墨，因其低的理论容量，限制了锂离子电池能量密度和功率密度的提高，难以满足日益增长的需求。因此开发新型的具有高理论容量的负极材料成为目前亟待解决的问题。金属氧化物如Mn₂O₃、Fe₂O₃、Co₃O₄等以其理论容量高、资源丰富的优点成为可供替代的选择。然而，这些材料在电池循环过程中往往面临着由于体积变化而引起的团聚等所导致的容量衰减快等缺点，这就限制了锂离子电池循环寿命的提高。

在解决上述问题的众多策略中，特殊形貌设计和结构优化是最为行之有效的解决方法。在各种各样的形貌中，空心结构以其对电池在循环过程中由于结构变化而引起的张力有自适应性的特点而被广泛用来缓冲材料在电池循环过程中的体积变化。另一方面，异质结构能够有效发挥两种材料之间的协同效应以使材料获得更优异的电化学性能。那么两种策略的结合应该可以获得能够缓冲体积变化而又具有良好电化学性能的材料。

Fe₂O₃的理论比容量高达1007mAh g^-1，Mn₂O₃则具有更高的理论比容量——1018mAhg^-1，除此之外，两种材料在自然界的资源非常丰富，价格低廉。更为重要的是，两种材料的氧化还原电位彼此交错，这就为彼此提供了一个缓冲基体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球电极材料，该材料生产原料储量丰富，价格低廉，生产方法易于操作，安全，且制得的Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球电极材料具有优异的电化学性能，可应用于锂离子电池负极材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球材料，其是直径为0.9-1.2μm的带有孔洞的空心球，所述孔洞孔径范围在20-100nm之间，其中Fe₂O₃和Mn₂O₃直接相互接触。

Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将Fe(NO₃)₃·9H₂O、Mn(CH₃COO)₂·4H₂O，H₂C₂O₄·2H₂O溶于DMF中，搅拌均匀得到混合溶液；

2)将上述混合溶液水热反应后取出；

3)待其冷却至室温，将所得沉淀洗涤数次，然后烘干得到前驱体粉末；

4)最后将前驱体粉末在空气气氛中烧结，即可得到Fe₂O₃/Mn₂O₃空心多孔球电极材料。

按上述方案，步骤1)所述的Fe(NO₃)₃·9H₂O，Mn(CH₃COO)₂·4H₂O的摩尔比在4:6-7:3之间，Fe(NO₃)₃·9H₂O与H₂C₂O₄·2H₂O的摩尔比在2:5-2:9之间。

按上述方案，步骤2)所述的水热处理的温度为160-200℃，水热处理的时间为6-60h。