三氧化二铁/三氧化二锰空心多孔球材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及Fe

【技术实现步骤摘要】
三氧化二铁/三氧化二锰空心多孔球材料及其制备和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料及其制备与应用。
技术介绍
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1007mAhg-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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。按上述方案，步骤4)的烧结制度为400-500℃保温2-5h，600-800℃保温5-10h，升温速率为2-8℃/min。所述的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球材料作为锂离子电池负极活性材料的应用。本专利技术的有益效果：本专利技术使用一步水热法生产Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料，具有20-100nm的孔洞，增大了电极材料与电解液之间的接触面积，缩短了离子和电子的扩散距离，有足够的自由空间适应电极材料的体积变化，从而在一定程度上提高材料的循环稳定性，其作为锂离子电池负极活性材料时，表现出容量高、倍率性能好、循环稳定性好的特点；Fe2O3和Mn2O3互相作为彼此的基体，均匀地相互分散在彼此中，两种材料在微区直接接触，可以充分发挥材料的电化学性能以及两者之间的协同效应，其次，本专利技术所用的原料储量丰富、价格低廉、工艺简单易于操作，得到的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料前驱体在干燥和空气气氛下固相烧结后即可得到Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料。本专利技术可行性强，易于放大化，符合绿色化学的特点，利于市场化推广。生产Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的方法简单易于操作，生产原料储量丰富，价格低廉，且制得的材料纯度高、结构均一。附图说明图1：实施例1的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的SEM和EDS图；图2：实施例1的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的形成机理图；图3：实施例1的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的XRD图；图4：实施例1的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的电池倍率图；图5：实施例1的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的长期电池循环性能图；图6：实施例1的Fe2O3/Mn2O3，Fe2O3，Mn2O3三种电极材料的倍率性能图；图7：实施例1的Fe2O3/Mn2O3，Fe2O3，Mn2O3三种电极材料的循环性能图。具体实施方式下面结合实施例进一步阐释本专利技术的技术方案，但不作为对本专利技术保护范围的限制。实施例1Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的生产方法，它包括如下步骤：1)将1mmolFe(NO3)3·9H2O，1mmolMn(CH3COO)2·4H2O，3mmolH2C2O4·2H2O溶于35mLDMF中，70℃水浴搅拌30min得到酒红色溶液；2)将上述所得溶液转移至聚四氟乙烯内衬中并装入反应釜中在200℃下水热24h后取出；3)待其冷却至室温，将所得黄褐色沉淀用酒精和去离子水洗涤数次，然后在空气气氛70℃烘箱中烘干得到前驱体粉末；4)最后将前驱体在空气气氛中以5℃min-1的升温速率升温至450℃保温5h后继续以5℃min-1升温至750℃保温10h，即可得到Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料。以本实施例产物Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料为例，其结构由X射线衍射仪确定。附图1所示X射线衍射图谱(XRD)表明，Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料与卡片为JCPDS：33-0664的Fe2O3和JCPDS：71-0636的Mn2O3标准样品吻合，说明我们所制备得到的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料确实是由两种纯物质复合而成。附图2所示SEM和EDS图像表明所生产的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料具有很好的结构稳定性、分散性。附图3展示了Fe2O3/Mn2O3空心球异质结构的形成机理：水热30min，先形成铁的小颗粒，随着水热时间的延长，锰开始与铁结合并慢慢的形成半球壳，经过奥斯特瓦尔德熟化形成了封闭的空心球，烧结过后则形成了带有孔洞的空心球。本实施例所得Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料作为锂离子电池负极活性材料的应用如下：负极片的生产过程采用Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料作为活性材料，乙炔黑作为导电剂，10wt％羧甲基纤维素(CMC)溶于适量去离子水作为粘结剂，活性材料、乙炔黑、羧甲基纤维素的质量比为60:20:20；将活性物质与乙炔黑按比例充分混合后，研磨均匀，倒入已经超声分散60min后的CMC-Water溶液，超声分散1h，将所得混合溶液涂于铜箔上。将涂布后的电极片置于70℃的烘箱干燥24h后取出，将其制成直径为9mm的电极片备用。以1M的六氟磷酸锂(LiPF6)溶解于体积比为1:1:1的乙烯碳酸酯(EC)，碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
Fe

【技术特征摘要】
1.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。2.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。3.如权利要求2所述的Fe2O3/Mn2O3空心多孔球电极材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春华，麦立强，刘东娜，任文皓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42