一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用，属于钠离子电池电极材料技术领域；包括以下步骤：将三氯化铁、磷酸二氢氨在常温下溶解于去离子水中，搅拌后转移至反应釜中，经水热反应、后续洗涤、干燥，得到纺锤形Fe2O3粉体；将所得粉体与硒粉研磨混合，混合粉料与一水合次亚磷酸钠分别置于管式炉中的中部和前部区域，在惰性气氛下进行煅烧处理，后保温处理，最终制备得到具有3D网络结构的无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2。由本发明专利技术方法制备得到的电极材料应用在钠电池上，可获得具有长循环稳定性和高倍率性能的高效储钠负极材料，能够有效解决硒化铁电极材料存在的充放电过程中导电性欠缺，体积膨胀大，导致活性组分粉碎，降低电池循环寿命的问题。降低电池循环寿命的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于钠离子电池电极材料
，具体涉及一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着人们对锂电池需求的快速增长，地球上的锂资源稀缺以及随之而来的高成本阻碍了锂电池的大规模应用。钠离子电池因具有资源分布广泛、电化学稳定性、安全性高、储能机制与锂电池相似而被视为最具竞争力的替代品，在低速电动汽车、家庭电网、备用电源、5G基站等大规模储能领域受到广泛关注并显示出巨大潜力。
[0003]然而，较大的Na
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半径会导致电极材料在反复钠化/脱钠过程中产生巨大的体积变化和缓慢的扩散速率，导致出现电池循环寿命短和倍率性能差的问题。因此，探索能够实现快速Na
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扩散动力学和良好结构稳定性的先进电极材料势在必行。目前硒化铁具有天然丰度高、氧化还原可逆性良好和理论容量高的优点，被视成为颇具吸引力的储钠负极。然而，制备具有长期稳定性和高倍率能力的无碳硒化铁负极仍然是一个棘手的挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：克服现有钠离子电池硒化铁电极材料存在的充放电过程中体积膨胀大、结构易坍塌、钠离子扩散动力学缓慢的问题，提供一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用，可获得具有长循环稳定性和高倍率性能的高效储钠负极材料。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将三氯化铁、磷酸二氢氨在常温下溶解于去离子水中，通过搅拌得到澄清黄色液体，转移至反应釜中，经120~160℃的水热反应，待自然冷却至室温后经后续洗涤、干燥，得到纺锤形Fe2O3粉体；S2、将上述步骤S1中得到的纺锤形Fe2O3粉体与硒粉研磨混合，混合粉料与一水合次亚磷酸钠分别置于管式炉中的中部和前部区域，两者的放置间距为6~15cm，Fe2O3粉体、硒粉和一水合次亚磷酸钠的质量比为1:2~3:5~6，在惰性气氛下进行煅烧处理，起始温度为25℃，经升温至煅烧温度为600~800℃，后保温处理，最终制备得到无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2。
[0006]所述步骤S2中，优选的，Fe2O3粉体、硒粉和一水合次亚磷酸钠的质量比为1:2:5。
[0007]所述步骤S2中，优选的，煅烧的温度为600℃，升温速度为2℃~5℃/min，保温时间为2~4h。
[0008]所述步骤S1中，三氯化铁与磷酸二氢氨的摩尔浓度比为400:9。
[0009]所述步骤S1中，在温度为120~160℃的条件下水热反应时间为3~8h，干燥温度为70℃，干燥时间为12h。
[0010]所述步骤S1中，优选的，水热反应温度为140℃，水热反应时间为5h。
[0011]所述步骤S1中，经水热反应、待自然冷却至室温后的后续洗涤依次采用去离子水、乙醇洗涤。
[0012]所述步骤S2中，最终制备得到的无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2为3D相互连接的多孔框架和富含P
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Se键的异质结构。
[0013]由所述制备方法制备得到的无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2应用在钠电池上，将上述步骤S2中制备得到的无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2作为电池活性材料，碳纳米管为导电剂，羧甲基纤维素钠为粘结剂，以水为溶剂，研磨成糊状，均匀的涂敷在铜箔集流体上，经真空干燥后，将其作为钠电负极与金属钠及有机液体电解液组装成钠离子半电池。
[0014]本专利技术的有益效果是：1）本专利技术方法制备的无碳Fe7Se8基储钠电极材料，具有3D相互连接的多孔框架和富含P
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Se键的异质结构，3D框架能够促进钠离子和电子的快速传输，有利于电解液的渗透；富含P
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Se键的异质结赋予硒化铁材料具有优异的抗钠化/脱钠的机械稳定性，并能降低钠离子的扩散能垒，提升电荷迁移效率；二者协同作用显著增强材料的电子导电性和反应动力学，进而获得出色的长循环稳定性和高倍率性能。
[0015]2）本专利技术的制备方法中，通过简易的水热法和后煅烧处理，获得含P
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Se键的异质结构无碳Fe7Se8基储钠电极材料，通过构建具有P
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Se键的异质结构策略，增强电极材料的结构稳定性，为其他无碳高振实密度电极材料的设计提供了新思路。
[0016]3）本专利技术对制备的无碳Fe7Se8基储钠电极材料的电化学性能进行测试，实验结果表明，该电极材料具有良好的电化学性能，在5A
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g
‑1的高电流密度下，循环1500次之后比容量达到266.9mAh
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‑1，优于部分现有的碳包覆硒化物电极材料。
[0017]4）本专利技术采用的制备方法简单、成本较低、易批量化生产；所制备得电极材料不含碳，有效提升电极材料的振实密度和电池的能量密度。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1所制备的Fe2O3粉体材料的SEM图；图2为本专利技术实施例1~5所制备的Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品的XRD图；图3为本专利技术实施例3所制备的Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品的电池循环性能图；图4为本专利技术实施例4所制备的Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品的SEM图；图5为本专利技术实施例4所制备的Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品的磷元素的高分辨X射线光电子能谱图；图6为本专利技术实施例4所制备的Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品的电池循环性能图；图7为本专利技术实施例4制备样品与对比例对照样品的倍率性能图；图8为本专利技术实施例4制备样品与对比例对照样品的长循环性能图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的解释说明。
[0020]实施例1：本专利技术提供一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将0.3784g三氯化铁和0.0036g磷酸二氢氨在常温下溶解于70mL去离子水中，
通过搅拌得到澄清黄色液体，转移至反应釜中，经140℃的水热反应5h，待自然冷却至室温后，将收集到的固体依次用去离子水和乙醇洗涤，在70℃下干燥12h，得到纺锤形Fe2O3粉体；S2、将上述步骤S1中得到的纺锤形Fe2O3粉体与硒粉研磨混合，混合粉料与一水合次亚磷酸钠分别置于管式炉中的中部和前部区域，两者的放置间距为10cm，Fe2O3粉体、硒粉和一水合次亚磷酸钠的质量比为1:2:5，在惰性气氛氩气条件下进行煅烧处理，起始温度为25℃，升温速率为5℃/min，经升温至煅烧温度为600℃，后保温处理2h，最终制备得到无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2样品。
[0021]实施例2：与实施例1相比，制备过程不同之处在于：S2、将上述步骤S1中得到的纺锤形Fe2O3粉体与硒粉研磨混合，混合粉料与一水合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将三氯化铁、磷酸二氢氨在常温下溶解于去离子水中，通过搅拌得到澄清黄色液体，转移至反应釜中，经120~160℃的水热反应，待自然冷却至室温后经后续洗涤、干燥，得到纺锤形Fe2O3粉体；S2、将上述步骤S1中得到的纺锤形Fe2O3粉体与硒粉研磨混合，混合粉料与一水合次亚磷酸钠分别置于管式炉中的中部和前部区域，两者的放置间距为6~15cm，Fe2O3粉体、硒粉和一水合次亚磷酸钠的质量比为1:2~3:5~6，在惰性气氛下进行煅烧处理，起始温度为25℃，经升温至煅烧温度为600~800℃，后保温处理，最终制备得到无碳Fe7Se8基粉末材料Fe7Se8/Fe3(PO4)2。2.根据权利要求1所述的一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用，其特征在于：所述步骤S2中，优选的，Fe2O3粉体、硒粉和一水合次亚磷酸钠的质量比为1:2:5。3.根据权利要求1所述的一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用，其特征在于：所述步骤S2中，优选的，煅烧的温度为600℃，升温速度为2℃~5℃/min，保温时间为2~4h。4.根据权利要求1所述的一种无碳Fe7Se8基储钠电极材料的制备方法及应用，其特征在于：所述步骤S1中，三氯化铁与磷酸二氢氨的摩尔浓度比为400:9。5.根据权利要求1所述的一种无碳Fe...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖莹，缪悦，胡世霖，龚凤莲，陈仕谋，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：