[发明专利]一种碳包覆FeP中空纳米电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆FeP中空纳米电极材料及其制备方法和应用。由直径为200～300纳米的FeP纳米颗粒内核及碳壳表层组装而成；其中纳米颗粒内核与碳壳表层之间存在中层间隙，且所述纳米电极材料直径为300～400纳米。本发明通过简单的水热‑包覆‑煅烧‑刻蚀‑高温原位反应五步法制备出碳包覆FeP中空纳米电极材料，工艺简单易操作，大大降低了成本，并且制备过程绿色环保，具有潜在的大规模市场应用价值；该材料作为钠离子电池负极材料时在200mA/g高电流密度下充放电测试，其首次充放电比容量可达582mA/g，500次长循环后充放电比容量为566.7mA/g，容量保持率为97.4％。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种碳包覆FeP中空纳米电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着工业的发展、化石燃料的大量使用，导致环境污染愈发严重。寻找新型绿色清洁能源成为当前亟待解决的问题，而能源存储系统则是发展清洁能源一直以来的瓶颈。便携式电子设备、柔性穿戴电子器件、电动汽车、电力并网发电等都对能源存储系统提出了更高的要求。制备出高功率大容量的能源存储系统是实现能源转变与绿色应用的关键。锂离子电池是最具有潜力的储能系统之一，具有相对成熟的技术。但是随着锂离子电池的大规模应用，金属锂资源正急剧下降。据统计，按目前的消耗速率，现存的锂资源仅能支撑使用30年。如何寻找替代金属锂的新型电池材料成为当前能源领域的研究热点。

作为同主族的金属元素钠，其与金属锂具有相似的化学性质且储量极为丰富，且在电化学反应中有可与锂相比的容量贡献和较好的反应动力学，是替代锂最具潜力的金属。钠离子电池具有优异的倍率性能、较高的容量及良好的循环稳定性。纳米材料具有较高的比表面积及较好的活性，作为钠离子电池电极材料时与电解液接触面积大、钠离子脱嵌距离短，能有效的提高材料的电化学活性，作为高容量长寿命钠离子电池电极材料时具有显著的优势。因具有高比表面积以及与电解液的良好接触促进钠离子的扩散，因而减少了极化和充放电过程中存在的结构应力，从而提高电池的电化学窗口和循环稳定性，而其中分级多孔结构的纳米材料更展现出了极大的优势。

作为一种有潜力的负极材料，过渡金属磷化物具有原料便宜，储量丰富，合成简单，理论容量高等特点，因而被广泛的研究。然而这种过渡金属磷化物电极材料存在两个致命缺陷，一是相对差的电导率导致电极材料的倍率性能和功率密度较低；二是由于其发生的电化学转化反应造成材料不可逆相变，体积膨胀问题严重，结构难以维持，导致容量衰减和循环寿命下降。近年来，如何提高过渡金属磷化物在电化学反应中的电导率和电化学循环稳定性成为研究热点，其主要策略是合成多孔分级结构和构建核壳机构的电极材料，但一般的合成方法存在合成步骤繁琐、合成产物产率低等问题。

发明内容

本发明目的在于针对目前过渡金属磷化物电极材料存在的问题，提供一种碳包覆FeP中空纳米电极材料及其制备方法，其工艺简单，成本较低，符合绿色化学的要求，所合成的碳包覆FeP中空纳米电极材料在用作钠离子电池电极材料时具有良好的电化学性能。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种碳包覆FeP中空纳米电极材料，由直径为200～300纳米的FeP纳米颗粒内核及碳壳表层组装而成；其中纳米颗粒内核与碳壳表层之间存在中层间隙，且所述纳米电极材料直径为300～400纳米。

上述碳包覆FeP中空纳米电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将九水合硝酸铁加入到去离子水中，搅拌使其充分溶解；加入氢氧化钠溶液，搅拌使其充分混合；

2)装入反应釜中进行水热反应，将所得的产物离心过滤，洗涤、烘干得到前驱体红色粉末；

3)所得前驱体红色粉末分散在乙醇和水的混合溶液中，超声分散，依次加入氨水、间苯二酚和甲醛，搅拌使其充分混合，洗涤、烘干即得到红色粉末；