[發(fā)明專利]一種尖晶石型高熵氧化物電極材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2019-07-24
• 公開（公告）號: CN110364717B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王丹;齊西偉;董瑩;羅紹華;王志遠
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學秦皇島分校
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/50;H01M4/52;H01M4/131;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種尖晶石型高熵氧化物電極材料及其制備方法，屬于納米材料制備及新能源領(lǐng)域，所述的高熵氧化物電極材料化學式為(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O中的一種；制備方法：1)將氧化鐵、氧化鉻、氧化錳以及M金屬氧化物混合球磨；M金屬氧化物為氧化鎳、氧化鋅、氧化銅、氧化鈷中的兩種或多種；2)高溫煅燒，采用隨爐冷卻、空氣淬火和液氮淬火的冷卻方式，得到尖晶石型高熵氧化物電極材料。本發(fā)明的高熵氧化物顆粒直徑100～500nm，所述高熵氧化物根據(jù)XRD確定為尖晶石結(jié)構(gòu)；所述材料的空間群為Fd?3m，其比表面積為5～100m²g^?1。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備及新能源領(lǐng)域，主要涉及一種尖晶石型高熵氧化物電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池因具有諸多優(yōu)良的特性在商業(yè)化市場中一直占有重要的地位。然而近年來，隨著移動電子設(shè)備的不斷進化、可持續(xù)能源供應(yīng)體系的快速發(fā)展以及新能源汽車的日益普及，人們對鋰離子電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等方面的要求越來越高。負極材料是決定鋰離子電池綜合性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，而目前市場上主流的碳負極材料存在著實際比容量低(約為300mAh/g～330mAh/g，理論比容量為372mAh/g)、首次不可逆損失大、倍率充放電性能差等問題。因此，積極探索新型高容量鋰離子電池負極材料體系，已成為國內(nèi)外研究的熱點。

過渡金屬氧化物(如ZnO、CuO、FeO、NiO、CoO、MnO等)因其較高的理論比容量一度成為最有希望的候選者。但仍存在著體枳變化較大、導(dǎo)電性與鋰擴散能力不足等問題，限制了性能的充分發(fā)揮。研究者通過向單金屬氧化物中進行摻雜以獲得雙金屬甚至多金屬氧化物，如ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、FeCo₂O₄和Co_1-xZn_xFe₂O₄等，獲得了改善的電化學活性以及更強的電導(dǎo)率。研究者將這一性能的改善歸因于材料自身的缺陷或者氧空位的增加。

為了解決單一的過渡金屬氧化物負極材料容量有限、循環(huán)穩(wěn)定性差、嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹等問題，我們將目光放在了多主元的高熵氧化物上。以期通過多金屬協(xié)同作用，更大程度地增加缺陷和氧空位，進而深度提高材料的電化學性能。高熵氧化物是最近幾年在高熵合金的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型陶瓷材料，具有多種金屬元素在原子水平均勻分散的特點。且材料具有遲滯擴散效應(yīng)，因而其微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜Li⁺、Na⁺、K⁺、Ga³⁺后的高熵氧化物表現(xiàn)出超快的離子電導(dǎo)率，是一種非常有潛力的電極材料。

本發(fā)明將研究的焦點集中在如何用簡單有效的辦法提高電極的缺陷結(jié)構(gòu)，以及提高材料的導(dǎo)電性，設(shè)計合成了尖晶石結(jié)構(gòu)的高熵氧化物，并研究了該材料的電化學性能。目前，尚未見到關(guān)于高熵氧化物(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O電極材料用作鋰離子電池負極材料的報道。而且所采用的制備技術(shù)簡單，可重復(fù)性強，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種尖晶石型高熵氧化物電極材料及其制備方法。本發(fā)明的電極材料具有良好的電化學性能，可作為高性能鋰離子電池的負極材料。

本發(fā)明的一種尖晶石型高熵氧化物的電極材料，(FeCoNiCrMn)O、(FeZnNiCrMn)O、(FeCoZnCrMn)O、(FeCoNiCrMnCu)O；本發(fā)明提供一種尖晶石結(jié)構(gòu)的高熵氧化物，所述高熵氧化物顆粒直徑100～500nm，所述高熵氧化物為尖晶石結(jié)構(gòu)；所述材料的空間群為Fd-3m，其BET比表面積為5～100m²g^-1。