本发明专利技术公开了，磁控优化制备Fe3O4/C/P核壳结构,并且优化其电化学性能的绿色工艺，包括以下步骤：首先制备颗粒均一的Fe3O4颗粒，预先将三氯化铁溶解在乙二醇中，将NaOH也溶解在中，以CTAB为催化剂，使Fe3O4同时成核，获得粒径均一的Fe3O4颗粒。紧接着在Fe3O4表面包覆SiO2，制备Fe3O4/SiO2。再在基体上包覆聚多巴胺，制成Fe3O4/SiO2/polydopamine。在后续热处理过程中，用磁场控制压缩样品室的空间，促进红磷在基体上的沉积。成功制备了均一的Fe3O4/C/red P颗粒。并且利用磁调控Fe3O4/C/red P负极材料，在集流体上进行不同排列，利用洛伦兹力对电子和离子的加速作用，优化材料的电化学性能。利用磁调控达到了同时优化材料合成和电化学性能的作用。
【技术实现步骤摘要】
磁控弹性链状Fe3O4/C/redP储钠性能的研究
：本专利技术属于纳米材料制备以及调控区域，具体涉及磁调控制备红磷基负极材料，以及优化电化学性能的方法。
技术介绍
随着日益增加的能量需求和化石燃料的枯竭，寻找可再生能源和可持续储存技术成为我国科技工作者追求的主要目标。设计电化学储存体系时，要求电极材料来源广，合成过程对环境友好，材料性能优异。钠离子电池相对于锂离子电池，钠源广，成本低并且环境友好，并且钠和锂有相似的化学性能，受到了广泛关注。尽管钠离子电池和锂离子电池在正极材料和电解质方面有高度相似性，但适合钠离子电池的负极材料数量要远少于锂离子电池。因为钠离子半径要远远大于锂离子半径，寻找合适的负极材料是发展钠离子电池的瓶颈之一。自然界中含量较高，无毒性的红磷与钠反应形成Na3P，Na3P具有高达2595mAhg-1的理论容量，要远远高于其它负极材料，锗(Na15Ge4，369mAhg-1),锡(Na15Sn4,847mAhg-1),铅(Na15Pb4,485mAhg-1)，锑(Na3Sb,660mAhg-1)，受到了学者的广泛关注。但是，红磷的实际容量要远小于理论容量，主要原因是自身存在的缺陷，以及自身利用率低：(1)导电性极差，所以红磷负极材料所表现的电化学性能较差；(2)红磷在与三个钠离子的嵌入和脱出过程中,体积膨胀现象非常严重，所以红磷基钠负极材料的倍率和循环性能极差，不利于大规模工业化生产；(3)此外在合成过程中，存在红磷和白磷的相互转化，合成工艺要求提高红磷尺寸的均一性，并提高对红磷活性组分的利用率。为了提高红磷的导电性，最有效的是掺杂，形貌控制和表面修饰技术，将红磷嵌入到导电性高，多孔状的三维结构中，一方面提高其导电性，改善红磷与碳基体的接触，防止红磷颗粒在循环过程中的粉末化，活性物质的脱落以及不稳定的固体和电解质(SEI)界面的形成。多孔状结构，可有效缓冲钠脱嵌过程中的体积膨胀，提高其循环和倍率性能，结合表面修饰技术又进一步提高了材料的储钠能力。(2)加入某种外界刺激，静电作用使结构重新排列，抑制材料在充放电过程中的体积膨胀，提高材料在大电流密度下的电化学性能。(3)因为红磷和白磷的相互转化依赖于体系中的驱动力，通常受毛细管力和气化-冷凝压力的影响较大，加入低能耗的可调气压的装置，是提高红磷均一性和提高活性组分的高效环保途径。目前，掺杂技术最有效的是碳掺杂,相对低的碳含量可以大幅提高材料的电化学性能。红磷与碳材料的复合受到了广泛关注，尽管这些工作提高了材料的容量，在改善循环性能上取得了一些成效，但增强红磷与碳集体的良好接触性仍是一个挑战。有学者将红磷嵌入到多孔状的碳中，组装的复合材料增强了红磷的循环性能，但过多碳的加入，导致了容量的下降。又有工作将红磷和氮掺杂的孔状石墨烯复合，既提高了其导电性，又缓冲了体积膨胀，提高了其容量，但增强红磷和碳基体接触的紧密程度仍亟待解决。改善红磷与碳基体的接触，主要依赖于改善红磷颗粒在碳基体上的沉积效率，增大反应动力学驱动力。所以高效的动力学控制和碳材料的复合便成了关键。红磷和碳的复合方式从最初的高能耗的球磨等机械混合发展到通过气化和冷凝技术来完成，在毛细管力和气化-冷凝压力驱动下，红磷相对均匀地沉积在碳的表面上，但气压和毛细管力变化较小，红磷仍然不能均一高效地沉积在碳的表面。最近一些改进的气化和冷凝技术也得到了发展。受前人工作的启发，发展磁控技术制备尺寸均一的光子晶体，同时使复合材料的光学性能得到了最大程度的优化。这种低能耗，高效精准控制的技术激励着我们去探究磁控是否能完成对气化和冷凝技术的改进，通过外加磁场精准控制，对电池的组装技术进一步改善，完成高效制备材料和优化性能的工作。基于上述绿色高效的合成工艺思路，我们对红磷和碳的复合物引入超顺磁的Fe3O4磁核。将红磷与多孔碳和磁源Fe3O4复合。在气化-冷凝技术中，通过磁场推动，不断压缩样品室的体积，随着气化压力的不断增大，颗粒均一的红磷颗粒均匀地沉积在碳基体的表面，合成了尺寸均一的Fe3O4/C/redP结构。通过调节Fe3O4/C/redP活性组分在集流体上的分布，加速电子和离子的运动，同时此磁性结构在冲放电过程中，可通过静电作用力，磁核进行重新排列,静电作用力与脱嵌过程中的体积膨胀力相对抗，从根本上防止了负极材料的粉末化。此工艺设计满足绿色环保高效的要求。多孔状碳的掺杂在提高红磷基材料导电性的同时，又缓冲了体系的体系膨胀。三维的结构设计外加表面修饰技术使得材料的电子转移能力和离子的扩散能力大幅提高。同时外加磁场增大合成红磷的驱动力，一方面控制合成高质量和高产率的红磷颗粒；另一方面优化了电池组装技术，通过调节Fe3O4/C/redP活性组分在集流体上的分布，从而加速电子和离子的运动，同时此磁性结构在冲放电过程中，可通过静电作用力，促使结构进行重排，静电斥力可与脱嵌过程中的体积膨胀力相抗衡，电池的寿命进一步提高。
技术实现思路
针对红磷制备过程的不稳定性，以解决体积膨胀的目标，本专利技术的目的是研发低成本，绿色高效的链状多孔状Fe3O4/C/redP钠电池负极材料。外加磁场，提高材料合成效率和优化电池组装技术。实现本专利技术上述目的技术方案为：合成Fe3O4颗粒，在Fe3O4基体上沉积SiO2。在Fe3O4/SiO2上负载聚多巴胺。随后用一定浓度的NaOH将SiO2进行腐蚀，制备成多孔状的Fe3O4/polydopamine。在随后的热处理过程中，在多孔状的Fe3O4/polydopamine上沉积红磷。最后利用磁场压缩样品合成室体积，增大样品合成室内气压使得颗粒均匀的红磷颗粒均匀沉积在Fe3O4/C表面上，制成Fe3O4/C/redP。本专利技术的优选技术之一是对低成本，绿色高效的链状多孔状Fe3O4/C/redP负极材料，进行储钠能力的考察。外加磁场，提高材料合成效率和优化电池组装技术。在制备过程中，制备稳定的红磷基复合材料，提高红磷与白磷的转化率，使得尺寸均一的红磷颗粒均匀分布在碳基体上。在电池组装方面，磁控活性物质在集流体上进行不同排列，研究不同排列洛伦兹力与电子传导能力和离子扩散能力的构效性，以及材料静电作用力对体积膨胀能力的显著抑制效果。引入外界刺激源，同时达到优化材料制备和电池组装技术的目的。具体研究内容包括以下方面：(1)结合有效的碳掺杂，形貌控制，表面修饰技术制备Fe3O4/SiO2/Polydopamine复合物设计三维的多孔结构，便于电解质的渗透，电池自放电电压小，循环寿命强。结合有效的碳掺杂，形貌控制技术和表面修饰技术大幅提高材料的导电性能。基于此，对Fe3O4首先进行多孔碳的掺杂，引入SiO2模板，制备Fe3O4/SiO2,最后进行聚多巴胺碳源的负载，最后复合材料与孔状结构的碳的复合既提高了其导电性，又缓冲了体积膨胀。同时在合成过程中拟采用氮表面修饰技术，进一步提高材料的储钠性能。形貌控制将材料维数从一位扩展到三维，从而拓宽电子的传导方向，电子在四面八方得到传导，提高了材料的导电性。同时离子的传导距离减小，钠离子扩散能力得到了提高。三维结构减小了钠离子扩散的扩散距离，大幅提高了钠离子的离子扩散能力，保证材料有优异的电化学性能。三维的Fe3O4/P/C多孔状核壳结构，便于电解质的渗本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种以磁场为辅助技术制备稳定性高的链状Fe3O4/C/red P结构，并用作钠离子电池负极材料。同时考察在磁调控作用下，该负极材料在集流体上进行不同排列时，对电化学性能的影响。包括以下步骤：合成Fe3O4颗粒，在Fe3O4基体上沉积SiO2。在Fe3O4/SiO2负载聚多巴胺。随后用一定浓度的NaOH将SiO2侵蚀，制备成多孔状的Fe3O4/polydopamine。在随后的热处理过程中，在多孔状的Fe3O4/polydopamine上沉积红磷，利用磁场压缩样品合成室体积，增大样品合成室内气压，使颗粒均匀的红磷颗粒均匀沉积在Fe3O4/C表面上，制成Fe3O4/C/red P。
【技术特征摘要】
1.一种以磁场为辅助技术制备稳定性高的链状Fe3O4/C/redP结构，并用作钠离子电池负极材料。同时考察在磁调控作用下，该负极材料在集流体上进行不同排列时，对电化学性能的影响。包括以下步骤：合成Fe3O4颗粒，在Fe3O4基体上沉积SiO2。在Fe3O4/SiO2负载聚多巴胺。随后用一定浓度的NaOH将SiO2侵蚀，制备成多孔状的Fe3O4/polydopamine。在随后的热处理过程中，在多孔状的Fe3O4/polydopamine上沉积红磷，利用磁场压缩样品合成室体积，增大样品合成室内气压，使颗粒均匀的红磷颗粒均匀沉积在Fe3O4/C表面上，制成Fe3O4/C/redP。2.由单个颗粒的Fe3O4/C/redP颗粒，扩展到链状的Fe3O4/C/redP，考察成链结构相对于单个颗粒的优越性。3.考察链状Fe3O4/C/redP负极材料不同排列对电化学性能的影响。4.考察在充放电过程中，链状结构重排与体积膨胀作用的对抗，大幅提高电池的寿命。5.如权利要求1所述的方法，制备了均一的Fe3O4颗粒，在此基础...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦国辉，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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