原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料及其制备方法，该材料可作为钠离子电池正极活性材料，由石墨化碳层包覆K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2六边形纳米晶形成，所述的六边形纳米晶直径为100-350nm，其中石墨化碳层的厚度为6-10nm。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术结合溶液烘干和气氛煅烧的方法，最终得到形貌较为均一纳米材料。其作为钠离子电池正极材料活性物质，表现出较高的放电比容量和良好的循环稳定性；其次，本发明专利技术工艺简单，通过简单溶液烘干和煅烧处理后即原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料，能耗较低。

【技术实现步骤摘要】
原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料及其制备方法，该材料可作为钠离子电池正极活性材料。
技术介绍
随着科技的发展及人口的急剧增长，新世纪对能源的消耗也越来越大，石油、煤炭和天然气等不可再生资源的枯竭，迫切要求寻找清洁能源来弥补能源需求的缺口，同时要求清洁能源的连续性可持续性，以便于满足使用要求。在现有的主流能源系统中，石油和煤碳是不可再生能源，且其在使用消耗过程中还会产生大量的CO2、SO2等有害物质，给人类赖以生存的环境带来严重的破坏。这就促使人们更加重视建立新型的、有效的能源供应体系，在保证经济的可持续增长的同时，其还应满足环境有益的要求。其中，开发新能源和可再生清洁能源是当前解决这些问题最有效的方法之一，新能源材料则是实现新能源的开发和利用，并支撑它发展的基础和核心。在众多的新型能源体系中，如风能、太阳能、生物质能等，其都具备不连续的特性，若要将其有效的并入电网系统，那么能源的转换和存储装置是不可或缺。钠离子电池，是近十年来开发的一种新型能源存储的装置，与锂离子电池相比其具有地球资源存储丰富、成本低等特点，被认为是下一代大规模储能装置的主力。目前，主要有层状过渡金属氧化物、层状结构单质、磷酸盐体系等被用作其电极材料。随着研究的深入，逐渐发现层状过渡金属氧化物电极材料不仅成本低，而且其比容量较高，是一类较好的钠离子电池正极电极材料。但层状过渡金属氧化物由于纯相难以得到，且其形貌难以纳米花和导电性较差，使其徒有高容量却很难完全发挥出来，就需要我们通过导电物质的原位包覆，在提高其电子导电率的同时抑制其晶粒的二次团聚，改善其电化学性能。目前，原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料及其制备方法，其制备过程简单，能耗较低，产率较高，所得的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料作为钠离子电池正极材料具有良好的电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的制备方法，包括如下步骤：1)将钾源、铁源、锰源和碳源一并加入到去离子水中，在一定温度下搅拌至溶液呈现浅黄色透明状；2)将步骤1)所得溶液再移到水浴中搅拌，得到棕红色透明溶液；3)将步骤2)所得溶液转移入培养皿中，在恒温下蒸干；4)将步骤3)所得的固体然后迅速转移到高温下烘烤，得到疏松固体结构；5)将步骤4)所得产物研磨，然后在空气条件下煅烧；6)将步骤5)所得产物再移到氩气条件下煅烧，得到原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料。按上述方案，步骤1)所述的钾源为KNO3、K2CO3、K2SO4和KCl中的任意一种或它们的混合；所述的铁源为Fe(NO3)3.9H2O和Fe2(SO4)3.7H2O中的任意一种或它们的混合；所述的锰源为Mn(CH3COO)2和MnCO3中的任意一种或它们的混合；所述的碳源为草酸和柠檬酸中的任意一种或它们的混合。按上述方案，所述的钾源、铁源、锰源按照K:Fe:Mn元素摩尔比为7:5:5配取；步骤1)所述溶液中K+离子浓度范围为7/20-7/10mol/L。按上述方案，步骤2)所述的水浴温度为50-80℃；步骤3)所述的恒温下温度为60-90℃；步骤4)所述的烘烤温度为120-200℃。按上述方案，步骤1)所述的搅拌时间为2-6小时；步骤2)所述的搅拌时间6-12小时；步骤3)所述的干燥时间为8-12小时；步骤4)所述的烘烤时间为8-12h；；。按上述方案，步骤5)所述的煅烧温度为200-500℃，时间为2-4小时；步骤6)所述的煅烧温度为600-1000℃，时间为8-12小时。上述任意制备方法所得原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料，由石墨化碳层包覆K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2六边形纳米晶形成，所述的六边形纳米晶直径为100-350nm，其中石墨化碳层的厚度为6-10nm。所述的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料作为钠离子电池正极活性材料的应用。本专利技术结合溶液烘干和气氛煅烧的方法，以有机酸作为碳源，然后通过烧结碳化原位包覆，最终得到原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料。结果显示，该方法制备的六边形材料形貌均一，外表石墨化碳层包覆均匀。六边形结构可以有效缩短电解液中钠离子的扩散距离，提供连续的离子转移通道。而石墨化碳层可以大幅提高材料的导电性，且可以起到缓冲作用，可以提供活性材料在钠离子嵌入和脱出过程中体积膨胀和收缩所需的空间，防止各个六边形晶粒之间发生自团聚，电解液可通过碳层渗透到六边形纳米晶表面，还可以减少活性物质的溶解。因此，本专利技术提供的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料制备工艺简单高效，避免了使用水热等较为苛刻的实验条件，在降低其合成成本的同时，大幅提高了钠离子电池的电化学性能，同时提高了其循环稳定性和倍率性能，解决层状过渡金属氧化物体系正极材料导电性太差、易团聚等缺点，使其电化学性能很好的发挥出来，在钠离子电池应用领域有巨大的发展潜力。本专利技术的有益效果是：本专利技术结合溶液烘干和气氛煅烧的方法，以有机酸作为碳源，然后通过烧结碳化原位包覆，抑制晶粒的生长和团聚，最终得到形貌较为均一的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料。其作为钠离子电池正极材料活性物质，表现出较高的放电比容量和良好的循环稳定性；其次，本专利技术工艺简单，通过简单溶液烘干和煅烧处理后即原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料，能耗较低。所得到的同轴结构中的石墨化碳的质量占原料总质量的5.0-9.0％，有利于市场化推广。作为钠离子电池正极材料，在100mA/g的电流密度下，其放电比容量为169.4mAh/g，在1000mA/g的高电流密度下，其循环800次后，容量保持率分别高达78.2％。该结果表明原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料具有优异的储钠性能，是钠离子电池的潜在应用材料。附图说明图1是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的XRD图；图2是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的拉曼光谱图；图3是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的TG图；图4是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的FT-IR图；图5是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料SEM图；图6是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的元素分布图；图7是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的TEM图；图8是本专利技术实施例1的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的制备方法，包括如下步骤：1)将钾源、铁源、锰源和碳源一并加入到去离子水中，在一定温度下搅拌至溶液呈现浅黄色透明状；2)将步骤1)所得溶液再移到水浴中搅拌，得到棕红色透明溶液；3)将步骤2)所得溶液转移入培养皿中，在恒温下蒸干；4)将步骤3)所得的固体然后迅速转移到高温下烘烤，得到疏松固体结构；5)将步骤4)所得产物研磨，然后在空气条件下煅烧；6)将步骤5)所得产物再移到氩气条件下煅烧，得到原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料。

【技术特征摘要】
1.原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的制备方法，包括如下步骤：1)将钾源、铁源、锰源和碳源一并加入到去离子水中，在一定温度下搅拌至溶液呈现浅黄色透明状；所述的碳源为草酸和柠檬酸中的任意一种或它们的混合；2)将步骤1)所得溶液再移到水浴中搅拌，得到棕红色透明溶液；3)将步骤2)所得溶液转移入培养皿中，在恒温下蒸干；4)将步骤3)所得的固体然后迅速转移到高温下烘烤，烘烤温度为120-200℃，得到疏松固体结构；5)将步骤4)所得产物研磨，然后在空气条件下煅烧；所述的煅烧温度为200-500℃，时间为2-4小时；6)将步骤5)所得产物再移到氩气条件下煅烧，所述的煅烧温度为600-1000℃，时间为8-12小时，得到原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料。2.根据权利要求1所述的原位碳包覆六边形K0.7[Fe0.5Mn0.5]O2纳米材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的钾源为KNO3、K2CO3、K2SO4和KCl中的任意一种或它们的混合；所述的铁源为Fe(NO3)3·9H2O和Fe2(SO4)3·7H2O中的任意一种或它们的混合；所述的锰源为Mn(CH3COO)2和MnCO3中的任意一种或它们的混...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，王选朋，孟甲申，牛朝江，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42