一种空心球状结构磷酸铁材料及其制备方法与流程

本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种空心球状结构磷酸铁材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，在社会发展过程中，人们对于化石燃料的过度使用，逐渐地导致环境污染加剧。太阳能、风能等清洁的能源的应用已经越来越广泛。由于这些能源的消耗具有波峰波谷效应，而储能电池具有消峰填谷的作用，因此，迫切需要研发新的储能电池。然而，钠离子电池目前仍面临着能量密度低、循环稳定性差的挑战，这意味着它们仍不能应用于智能电网和大型储能等实际应用中。

新型能源材料的研发将在一定程度上推动着能源领域的快速发展，开发新的钠离子电池材料，提高电池容量和循环稳定性至关重要。尽管到目前为止，钠离子电池材料已经很多，但它们的电化学活性较差，初始容量较低。这意味着这些材料仍需要改进和重新设计。因此本发明提出一种空心球状结构磷酸铁材料及其制备方法，该磷酸铁材料可以作为前驱体材料，后续与其他材料进行复合，制得的复合材料可以用于储能电池的电极材料，极具应用潜力。

技术实现要素：

针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种空心球状结构磷酸铁材料磷酸铁材料，包括以下制备步骤：

1)准备制备原料摩尔比例为：含铁材料1-5份，含磷材料1-10份，沉淀剂100-500份，表面活性剂1-10份；

2)原料充分分散在适量的去离子水中，得到第一混合溶液；

3)将所述第一混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中反应，反应结束后离心取沉淀；

4)将沉淀洗涤后干燥，即可得空心球状结构磷酸铁。

优选地，所述含铁材料选自：赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、黄铁矿、硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵、硝酸铁中的一种或几种。

优选地，所述含磷材料选自：磷酸、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、焦磷酸钠、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷化钠、磷化钙中的一种或几种。

优选地，所述沉淀剂选自：氨水、尿素、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾。

优选地，所述表面活性剂选自：醇、乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠。

优选地，所述有机溶剂选自：醇、乙二醇、异丙醇。

洗涤溶剂为有机溶剂或去离子水。

优选地，所述步骤3)反应条件为：空气中，温度60-180℃，反应时间1-72h。

一种空心球状结构磷酸铁材料由上述方法制备，所述空心球状物尺寸长为5-25μm，初始容量约280mahg^-1。

本发明提出了磷酸铁材料及其制备方法，制备的磷酸铁材料，稳定性高，初始容量约280mahg^-1，具有空心的球体结构。所有这些都表明磷酸铁材料将在储能材料中具有潜在的应用。

附图说明

图1为水热合成法制备磷酸铁材料sem形貌图；

图2为磷酸铁材料tem形貌图；

图3为磷酸铁材料x射线光电子能谱(xps)图；

图4为电池循环性能。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

选择一种空心球状结构磷酸铁材料优选地实施方案，包括以下制备步骤：

(1)准备制备原料摩尔比例为：赤铁矿2份，磷酸钠2份，氨水300份，十六烷基溴化铵5份；

(2)原料充分分散在适量的去离子水中；

(3)将混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中60℃反应10小时，反应结束后离心取沉淀；

(4)将沉淀用去离子水洗涤后干燥，即可得产物。

60℃时不会产生磷酸铁，该温度下只是一个对比实验。

实施例2

选择一种空心球状结构磷酸铁材料优选地实施方案，包括以下制备步骤：

(1)准备制备原料摩尔比例为：硫酸亚铁2份，磷酸铵2份，尿素300份，十二烷基硫酸钠5份；

(2)原料充分分散在适量的去离子水中；

(3)将混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中100℃反应10小时，反应结束后离心取沉淀；

(4)将沉淀用去离子水洗涤后干燥，即可得产物。

此时，产物特征如图1a、图2a和图2c所示。

实施例3

选择一种空心球状结构磷酸铁材料优选地实施方案，包括以下制备步骤：

(1)准备制备原料摩尔比例为：硫酸亚铁铵2份，磷酸钠5份，尿素300份，十二烷基硫酸钠5份；

(2)原料充分分散在适量的去离子水中；

(3)将混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中180℃反应10小时，反应结束后离心取沉淀；

(4)将沉淀用去离子水洗涤后干燥，即可得产物。

此时，产物特征如图1b、图1c、图2b和图2d所示，为空心球体。显示产物呈现球状结构。经过图3所示的xps分析可知，产物为fepo4。如图4，以fepo4作为阴极材料组成的cr2032型号的扣式电池，在电流密度为50mag^-1时，初始放电容量为287.5mahg^-1，在10圈的循环内，库伦效率接近100％，性能较良好。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

技术特征：

1.一种空心球状结构磷酸铁材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

1)准备制备原料摩尔比例为：含铁材料1-5份，含磷材料1-10份，沉淀剂100-500份，表面活性剂1-10份；

2)原料充分分散在适量的去离子水中，得到第一混合溶液；

3)将所述第一混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中反应，反应结束后离心取沉淀；

4)将沉淀洗涤后干燥，即可得空心球状结构磷酸铁。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含铁材料选自：赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、黄铁矿、硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵、硝酸铁中的一种或者几种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含磷材料选自：磷酸、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、焦磷酸钠、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷化钠、磷化钙中的一种或者几种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂选自：氨水、尿素、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或者几种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自：醇、乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自：醇、乙二醇、异丙醇。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述反应条件为：空气中，温度60-180℃，反应时间1-72h。

8.一种空心球状结构磷酸铁材料由权利要求1-7所述任一方法制备，其特征在于，所述空心球状物尺寸长为5-25μm。

技术总结
本发明提供了一种使用水热合成法制备得到空心球状结构磷酸铁材料的新方法，制备的磷酸铁材料，稳定性高，初始容量尚可，约280mAh g‑1。该磷酸铁材料可以作为前驱体材料，后续与其他材料进行复合，制得的复合材料可以用于储能电池的电极材料、电解质材料，比如可以应用在钠离子电池、锂离子电池、钾离子电池、铝离子电池、铅酸电池、超级电容器等储能电池的电极、电解质，也可以作为太阳能电池的重要组件，未来可能会应用于生物领域。

技术研发人员：代汗清;陈媛媛;张国旗;郭睿倩;叶怀宇
受保护的技术使用者：深圳第三代半导体研究院
技术研发日：2020.01.09
技术公布日：2020.05.26