[发明专利]氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁粉体材料及其制备方法

说明书

本发明属于无机材料制备和电池材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁粉体材料及其制备方法，用于高体积能量密度、稳定性的离子电池负极。该粉体颗粒由氧化铁和碳复合而成，具有完整的空心碗形形貌，由内外双层壁组成，球壁之间存在间隙，氮掺杂无定形碳膜均匀地包覆在氧化铁表面，包覆层厚度可控。这种材料，具有空心结构材料的优点，以解决氧化铁在二次电池充放电过程中，体积变化导致电极的破碎与脱落，产生容量不可逆降低的问题；同时，保证粉体具有较高的振实密度，以提高电池体积能量密度；再者，以解决氧化铁导电性低的技术问题，以提高电池的倍率性能。

技术领域

本发明属于无机材料制备和电池材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁材料及其制备方法、用于高体积能量、循环稳定性的锂离子电池负极。

背景技术

氧化铁具有高的理论容量、低毒性、耐腐蚀、低价格和全球储量大等优点，被认为是锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等离子二次电池负极的潜在材料。但是氧化铁有一些本征的缺陷，比如，充放电过程中产生较大的体积变化(～96％) 会导致电极的破碎与脱落，低的导电性会导致电子传输速率慢等。因此，在离子电池的充放电过程中，氧化铁电极易产生容量的不可逆降低、倍率性能和循环稳定性均较差的情况。

解决上述问题的有效方法之一是在粉体颗粒中引入空心结构。空心结构不仅增加电解液和电极材料的接触面积，降低离子的传输距离，而且有效地缓解充放电过程产生的材料体积膨胀和应力积累，可以极大地增加电极的循环稳定性。文献中已有空心氧化铁球颗粒用于锂离子电池的报道，但这类材料往往存在材料空间利用率低、振实密度低、电极片体积能量密度不佳的缺陷。

相比与空心球结构，空心碗形材料不仅具有空心结构材料的优点，可以提高离子电池电极材料的循环稳定性，而且其弱对称性可以促使碗形颗粒间发生堆栈行为，从而提高其振实密度，有效地减少空腔结构对电池体积能量密度的损害。另外，在氧化铁表面包覆一层其有良好电子传递性质的碳介质，可以进一步防止材料在循环过程中的粉化，提高电池循环寿命，同时，增加活性电极材料的电导率，提高电池的倍率性能。

基于上述考虑，利用专利(一种空心碗状碳材料的制备方法 CN201910032940.1)所描述方法制备的水热碳质空心碗材料为模板，本发明提出了一种采用阳离子吸附结合两步煅烧制备空心碗形氧化铁，并对其进行氮掺杂碳包覆处理，制备了氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁材料。作为离子电池负极时，该材料具有高循环稳定性、突出的倍率性能和高的体积能量密度，满足了离子电池负极材料的使用需求。

发明内容

本发明目的是提出一种氮掺杂碳包覆空心多孔碗形氧化铁粉体材料及其制备方法。

一种氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁粉体材料，该粉体颗粒由氧化铁和碳复合而成。氧化铁具有完整的空心碗形形貌，是由内外双层壁组成，球壁之间存在一定的间隙，球壁呈现多孔性，壁厚可控。氮掺杂碳膜均匀地包覆在氧化铁颗粒表面，为无定形碳态，包覆层厚度可控，具有氮掺杂的特点。该粉体颗粒具有高分散性，尺寸均匀。

一种如上所述氮掺杂碳包覆多孔空心碗形氧化铁粉体材料的制备方法，其制备方法包括如下步骤：

1、以水为溶剂，以可溶性生物质化学试剂或者直接生物质为原料制备水热碳质球形碳粉体，具体如下：对于可溶性生物质化学试剂，以一定浓度直接溶于水中形成前驱体液，对于直接生物质，先进行榨汁，得到清澈的汁液，以此为前驱体液；该上述前驱体液加入一定比例的表面活性剂，混合后放入水热反应釜保温一段时间后，洗涤后干燥，得到水热碳质空心碗形碳；

2、将该空心碗形碳与含有一定浓度的铁离子盐溶液均匀混合，搅拌一定时间后，使用离心机离心得到沉淀，用水和酒精反复清洗，并进行干燥；

3、将干燥后的粉末装入石英舟中置于管式炉中在保护气氛下以一定升温速度至一定温度并保温一段时间；