[發明專利]一種碳載體氮摻雜的Fe2

在審

• 申請號: 202011455760.3
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN114628669A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 李先鋒;王燦沛;鄭瓊;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/52;H01M10/0525;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 周媛媛;李馨

本發明公開了一種碳載體氮摻雜的Fe₂O₃@NC顆粒及其制備方法和應用，屬于堿金屬電池技術領域。首先以表面活性劑為模板和碳源，乙醇和水為溶劑，鹽酸多巴胺(DA)作為前驅體的氮源和碳源，依次加入鐵源和有機配體，自聚合形成Fe₂O₃@NC復合物的前驅體；然后將合成的前驅體在Ar氣氛中加熱到600～800℃并煅燒一段時間，降至室溫后放在空氣中一段時間，即得Fe₂O₃@NC。本發明制備的碳載體氮摻雜的Fe₂O₃@NC顆粒能夠抑制Fe₂O₃納米顆粒的生長，從而縮短離子的傳輸路徑，提高反應的速率，表現出較高的電化學活性，并且具有較好的倍率性能和大倍率循環穩定性。

技術領域

本發明屬于堿金屬電池技術領域，具體涉及通過自然氧化法合成的碳載體氮摻雜的Fe₂O₃@NC及其制備和應用。

背景技術

近來鈉離子電池作為大規模儲能系統中鋰離子電池的潛在替代品，已經吸引了各界學者廣泛的關注，這主要是由于鈉的資源豐富和低成本的特點。鈉(Na)與元素周期表中的鋰(Li)同屬于一個主族，表現出了與鋰相似的物理化學性質，這有利于鈉離子電池技術的發展。然而，由于鈉離子的半徑(約0.102nm)大于鋰離子的半徑(約0.076nm)，大多數鋰離子電池的電極材料很難承載鈉離子。因此，鈉離子電池的發展離不開探索合適的宿主材料來容納較大的Na⁺。在過去的幾年中，大量的正負極材料已經被研究用于鈉離子電池并且已經取得了較大的發展，例如普魯士藍基材料，鈉層狀氧化物和磷酸鹽材料。然而，由于石墨層間距離較小(0.34nm)，不利于鈉離子在商用石墨負極中的嵌入，因此，開發高性能的負極材料是鈉離子電池研究過程中目前面臨的主要挑戰。

過渡金屬氧化物因其理論容量高、資源豐富和環境友好的特點而受到廣泛關注。其中的Fe₂O₃因其理論容量高(1007mA h g^-1)、資源豐富、成本低和環境友好而被認為是鈉離子電池中比較有前途的候選負極材料。然而，Fe₂O₃的實際應用受到鈉離子插入/提取過程中固有電導率低和體積變化大的嚴重阻礙。另外，由于鈉離子的半徑較大，Fe₂O₃作為鈉離子電池負極材料的體積變化比鋰離子電池更大。巨大的體積變化會導致活性物質顆粒的粉碎，活性材料和電極框架之間失去電接觸，以及非常厚的固體電解質界面(SEI)膜的持續生長，所有這些都可能導致循環過程中容量的快速衰減。

為了解決上述問題，雖然現有技術已經采用了包括制造具有不同納米結構的Fe₂O₃，或將Fe₂O₃納米顆粒分散到不同的碳基質中，例如碳納米管，碳納米纖維和石墨烯。然而，大多數報道的用于鈉離子電池的Fe₂O₃是基于Fe₂O₃構建的，將Fe₂O₃納米顆粒錨定分散于氮摻雜的三維碳骨架用于開發高性能的負極材料的相關研究還未見報道。

發明內容

鑒于此，本發明的目的是提供了一種碳載體氮摻雜的Fe₂O₃@NC的制備方法和應用。

本發明是通過以下方式實現：

通過對聚合物的原位碳化，然后通過在空氣中自然氧化合成了Fe₂O₃納米顆粒錨定分散于氮摻雜的三維碳骨架的Fe₂O₃復合物(Fe₂O₃@NC)。