一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用

本发明涉及锂离子电池负极材料制备领域；尤其涉及一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用。

背景技术：

1、锂离子电池因具备高比容量，良好的循环性能，高的工作电压，广泛应用在新能源汽车和智能电子产品中。石墨作为目前商业化使用的负极材料具有成本低、稳定性好和循环寿命长的优点，但其理论比容量仅有372mah/g，当电池以大倍率充放电时，石墨电极会产生锂枝晶破坏电池的内部结构，限制其在大功率电子设备上的应用。

2、氧化铁在自然界中储量丰富，价格便宜，其理论比容量可达1007mah/g，在储能领域中的应用市场潜力巨大。但是在循环过程中，随着锂的嵌入和脱出，氧化铁颗粒伴有巨大的体积膨胀和收缩，产生的内部应力会使活性材料粉碎和脱落，造成不可逆的容量损失，表现出比较差长循环性能；另外氧化铁材料的低导电率使得电池动力学反应缓慢，主要表现为倍率性能差。因此氧化铁作为电池负极材料要解决的两大问题是：(1)是体积变化大的问题；(2)是材料本身的低电导率。氧空位是氧化铁材料自身的一种施主缺陷，一个氧空位的产生会产生两个电子，这将增加载流子浓度，从而提升材料的导电性。产生空位的同时在其表面生成一层非晶氧化铁，非晶壳层有利于离子扩散并为颗粒膨胀提供了缓冲空间，因而氧空位的存在可以改善材料的电化学性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤(1)，水热法制备氧化铁，将其在玛瑙研钵中研磨30min，得到平均粒径为50nm的氧化铁颗粒；

5、步骤(2)，将氧化铁颗粒与燃烧剂三聚氰胺混合均匀后，置于马弗炉煅烧，得到含有氧空位的氧化铁材料。

6、优选地，步骤(1)中，所述水热法制备氧化铁的具体步骤为：称取1.620g六水合氯化铁溶于80ml去离子水中，待六水合氯化铁完全溶解后，再称取1.512g碳酸氢钠倒入溶液中，搅拌30min后得混合溶液；将混合溶液倒入两只50ml的ppl内衬中，再将内衬放于封闭的反应釜中，将反应釜至于150℃烘箱中保温6h，烘箱升温速率为2℃/min，冷却到室温后，将产物取出，用水和乙醇进行洗涤，离心、烘干。

7、优选地，所述洗涤的次数至少为3次，离心的转速为8000r/min，烘干的温度为70℃，烘干时间为12h。

8、优选地，步骤(2)中，所述氧化铁颗粒与所述三聚氰胺的质量比为1：(1-8)，氧化铁颗粒的质量固定为0.1g。

9、优选地，步骤(2)中，所述氧化铁和三聚氰胺混合物的容器为50ml的半封闭式氧化铝坩埚。

10、优选地，步骤(2)中，所述马弗炉煅烧的条件为：以2.5℃/min的升温速率升温到550℃，在550℃条件下，保温4h后随炉冷却至室温。

11、本发明还涉及前述的一种含有氧空位的氧化铁材料的应用，所述含有氧空位的氧化铁材料作为电池的负极材料时，氧空位的产生增加锂嵌入和脱出的活性位点，从而增加了活性物质的导电性，最终实现提高其倍率性能和循环性能的目的。

12、本发明具有以下优点：

13、本发明方法利用三聚氰胺高温加热时产生氮气和二氧化碳形成低氧环境，使氧化铁的晶格氧流失形成氧空位，氧空位的存在增加锂嵌入和脱出的活性位点，增加了活性物质的导电性，改善了氧化铁材料作为电池负极时的倍率性能和循环性能。

技术特征：

1.一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热法制备氧化铁的具体步骤为：称取1.620g六水合氯化铁溶于80ml去离子水中，待六水合氯化铁完全溶解后，再称取1.512g碳酸氢钠倒入溶液中，搅拌30min后得混合溶液；将混合溶液倒入两只50ml的ppl内衬中，再将内衬放于封闭的反应釜中，将反应釜至于150℃烘箱中保温6h，烘箱升温速率为2℃/min，冷却到室温后，将产物取出，用水和乙醇进行洗涤，离心、烘干。

3.如权利要求2所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，所述洗涤的次数至少为3次，离心的转速为8000r/min，烘干的温度为70℃，烘干时间为12h。

4.如权利要求1所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化铁颗粒与所述三聚氰胺的质量比为1：(1-8)。

5.如权利要求4所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化铁颗粒的质量固定为0.1g。

6.如权利要求1所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化铁和三聚氰胺混合物的容器为50ml的半封闭式氧化铝坩埚。

7.如权利要求1所述的含有氧空位的氧化铁材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述马弗炉煅烧的条件为：以2.5℃/min的升温速率升温到550℃，在550℃条件下，保温4h后随炉冷却至室温。

8.一种含有氧空位的氧化铁材料的应用，其特征在于，所述含有氧空位的氧化铁材料作为电池的负极材料的应用。

技术总结
本发明提供了一种含有氧空位的氧化铁材料的制备方法及应用；所述方法包括以下步骤：步骤(1)，水热法制备氧化铁，将其在玛瑙研钵中研磨30min，得到平均粒径为50nm的氧化铁颗粒；步骤(2)，将氧化铁颗粒与燃烧剂三聚氰胺混合均匀后，置于马弗炉煅烧，得到含有氧空位的氧化铁材料。本发明方法利用三聚氰胺高温加热时产生氮气和二氧化碳形成低氧环境，使氧化铁的晶格氧流失形成氧空位，氧空位的存在增加锂嵌入和脱出的活性位点，增加了活性物质的导电性，改善了氧化铁材料作为电池负极时的倍率性能和循环性能。

技术研发人员：潘孝军,王艳婷,靳梦静,袁俊生,谢二庆,周金元
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13