权利要求
步骤1：采用氧化铁为铁源原料、碳酸钠为钠源原料，将二者按比例混合后加入分散剂，使用纳米砂磨机进行砂磨，直至原料粒径减小至100nm~200nm;
步骤2：将步骤1所得浆料通过水浴加热蒸发得到湿润的固体样品，再于鼓风干燥箱中烘干，得到混合物硬块，将硬块在室温下研磨成粉末状样品;或者，将步骤1所得浆料通过喷雾干燥，得到粉末状样品;
步骤3：将步骤2所得粉末状样品在马弗炉中烧结，烧结气氛为空气，烧结温度为650℃~900℃，烧结时间为3h ~12h，升温速率为1℃/min ~5℃/min;自然冷却到室温后，研磨得到
钠离子电池负极材料NaFe5O8。
2.根据权利要求1所述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，步骤1中，铁源与钠源的摩尔比5:1。
3.根据权利要求1所述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，步骤1中，分散剂与固体原料的质量比为(2~3):1。
4.根据权利要求1所述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，步骤1中，分散剂为水、乙醇、甲醇、异丙醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，步骤2中，水浴蒸发温度为60℃~90℃，时间为3h~6h。
6.根据权利要求1所述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，步骤2中，烘干温度为80℃~120℃，时间为12h~24h。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于钠离子电池负极材料及其制备技术领域，具体提供一种钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法。
背景技术
[0002]日益增长的资源短缺和环境污染问题已经成为人类社会发展的重大挑战，传统的化石能源已经无法支撑可持续发展，因此，可再生、可持续的新能源开发迫在眉睫。目前，
锂离子电池作为关键
储能技术已被广泛开发并投入应用;然而，锂资源在地壳中丰度有限、分布不均，加之市场需求持续攀升，导致其价格大幅上涨，进而提高了锂离子电池的整体成本。在此背景下，寻找可替代锂离子电池的新型储能技术显得尤为重要，钠与锂在理化性质及储能机制方面较为接近，且钠资源储量丰富、分布广泛、成本较低;钠离子电池不仅可兼容现有锂离子电池的生产工艺与设备，还具备更优异的安全性能及高低温适应能力。因此，钠离子电池被视为锂离子电池最具潜力的替代方案。
[0003]目前，钠离子电池主流负极材料为
硬碳，然而
硬碳负极材料不仅制备困难，且比容量较低(约300mAh/g);针对该问题，本发明的发明人在公开号为CN116979025A的中国专利文献中提出将铁基金属氧化物NaFe5O8材料应用于钠离子电池中作为负极材料，NaFe5O8是一种面心立方反尖晶石结构的铁基复合氧化物(空间群：P4332)，其
电化学活性基于Fe³⁺/Fe0多电子转化反应，理论比容量高达933mAh/g，可以弥补硬碳负极材料制备困难、比容量低、循环性能较差等问题;在该专利文献中，本发明的发明人采用九水硝酸铁与氢氧化钠为原料，通过常温液相反应结合低温烧结的方法成功制备得了能够应用于钠离子电池中作为负极材料的NaFe5O8，然而，在工业化生成与应用过程中，发明人发现常温液相反应结合低温烧结的制备方法的流程相对复杂，且容易产生带硝酸根的废水，同时，作为原料的九水硝酸铁、氢氧化钠储存条件也相对严苛，不利于实现工业化生成。基于此，本发明提供一种钠离子电池负极材料NaFe5O8的新型制备方法，用以推动钠离子电池负极材料NaFe5O8的工业化生产与应用。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，通过纳米砂磨结合高温固相烧结的方法成功制备得到钠离子电池负极材料NaFe5O8，具有制备产物颗粒尺寸小、操作简单、成本低廉且易于工业化生产等优点。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006]一种钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：采用氧化铁为铁源原料、碳酸钠为钠源原料，将二者按比例混合后加入分散剂，使用纳米砂磨机进行砂磨，直至原料粒径减小至100nm~200nm;
[0008]步骤2：将步骤1所得浆料通过水浴加热蒸发得到湿润的固体样品，再于鼓风干燥箱中烘干，得到混合物硬块，将硬块在室温下研磨成粉末状样品;或者，将步骤1所得浆料通过喷雾干燥，得到粉末状样品;
[0009] 步骤3：将步骤2所得粉末状样品在马弗炉中烧结，烧结气氛为空气，烧结温度为650℃~900℃，烧结时间为3h ~12h，升温速率为1℃/min ~5℃/min;自然冷却到室温后，研磨得到钠离子电池负极材料NaFe5O8。
[0010]进一步的，步骤1中，铁源与钠源的摩尔比5:1。
[0011]进一步的，步骤1中，分散剂与固体原料(铁源原料与钠源原料的总质量)的质量比为(2~3):1。
[0012]进一步的，步骤1中，分散剂为水、乙醇、甲醇、异丙醇中的至少一种。
[0013]进一步的，步骤2中，水浴蒸发温度为60℃~90℃，时间为3h~6h。
[0014]进一步的，步骤2中，烘干温度为80℃~120℃，时间为12h~24h。
[0015]基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
[0016]本发明提供一种钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，采用纳米砂磨结合高温固相烧结的方法成功制备得到能够应用于钠离子电池中作为负极材料的NaFe5O8;首先，选定氧化铁为铁源原料、碳酸钠为钠源原料，原料成本更加低廉，可得性更高，且储存条件简单，不易出现失水和潮解，有利于工业化生产;其次，在常温条件下将钠源、铁源原料混合后使用纳米砂磨机进行砂磨，由于材料粒径减小至100nm~200nm，在纳米尺度上达到均匀的混合状态，增加了比表面积和反应活性，缩短了固相扩散的距离，从而提高了高温固相反应的速率和效率，降低了反应温度和时间，最终提升了NaFe5O8产物的纯度、均匀性，且通过粒径控制能够降低NaFe5O8产物的阻抗，在应用过程中有利于提升稳定性;最后，相比于现有技术(常温液相反应结合低温烧结的方法)，高温固相反应中不涉及溶剂的使用，工业化生产中无需废水处理，配合氧化铁与碳酸钠的原料选择，反应只会产生二氧化碳，并且，制备工艺更加简单可控，产品一致性高，对推动钠离子电池负极材料NaFe5O8的工业化生产与应用具有重大意义。
[0017]于此同时，本发明制备出的铁基复合氧化物材料NaFe5O8属于P4332空间群结构，反面心立方尖晶石结构，储钠机制为转化型氧化还原;在嵌钠过程中，Fe3+被还原为Fe纳米晶分散于Na2O 中;在脱钠的过程中，高活性的Fe纳米晶催化 Na2O发生可逆反应，再次生成铁氧化物，脱嵌钠全过程是可逆的;本发明制备的NaFe5O8作为钠离子电池负极材料，当充放电倍率为0.1C时，其首次放电比容量可以达到603.6mAh/g，其放电平均(中值)电压仅为0.2~0.6V，能够满足
锂离子电池负极材料的应用需求。
附图说明
[0018]图1为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备工艺流程图。
[0019]图2为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8的XRD谱图。
[0020]图3为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8的SEM图。
[0021]图4为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8在0.1C倍率下的循环性能曲线图。
[0022]图5为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8在0.1C倍率下的首圈充放电曲线图。
[0023]图6为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8在0.1C倍率下的第2圈充放电曲线图。
[0024]图7为本发明实施例1提供的钠离子电池负极材料NaFe5O8在0.1C倍率下的第100圈充放电曲线图。
具体实施方式
[0025]为使本发明的目的、技术方案与技术效果更加清楚完整，下面结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0026]实施例1
[0027]本实施例提供一种铁基钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其结构空间群为P4332。
[0028]上述钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备流程如图1所示;具体步骤如下：
[0029]步骤1：以氧化铁和碳酸钠分别作为铁源和钠源，去离子水作为分散剂，将900g氧化铁和2986g碳酸钠(钠/铁摩尔比5:1)混合，加入9L去离子水(固含量≥30%)，砂磨介质为3.5kg粒径0.05mm的氧化锆珠，在砂磨机中砂磨4-5h，每隔1 h检测粒度分布，直至粒径减小至约100nm~200nm;
[0030]步骤2：将步骤1湿磨所得到的浆料搅拌摇晃使混合均匀，取10g置于蒸发皿中，放置在水浴锅上90℃水浴加热1 h，水浴加热过程中不断搅拌，直至大部分水蒸发而呈现湿润的固体泥浆状态，得到固体样品;
[0031]将所得的固体样品放进80℃鼓风干燥箱干燥12h至样品开裂，再于120℃干燥6h，得到固体硬块，将其在室温下研磨成粉末状样品;
[0032]步骤3：将步骤2所得粉末状样品置于马弗炉中，在800℃下烧结3h，升温速度为2℃/min，烧结气氛为空气，自然冷却到室温后，取出样品，研磨即可得到NaFe5O8材料样品。
[0033]将上述钠离子电池负极材料NaFe5O8分别与导电剂(乙炔黑)、粘结剂(聚偏氟乙烯，PVDF)按照质量比75:20:5混合，以NMP为溶剂，研磨使其充分混合均匀后得到浆料，用刮刀把浆料均匀涂覆于清洁
铜箔
集流体表面，在80℃下干燥2h，将极片裁成12mm的圆片，再放于90℃真空干燥箱中干燥12h，得到电极片。
[0034]用上述极片为负极，以钠片为对电极，六氟磷酸钠/EC+EWC+DEC为
电解液，玻璃纤维(GF/F)为
隔膜，在水和氧含量均低于1ppm的不锈钢氩气气氛手套箱中组装成CR2025型扣式钠离子半电池，并在室温25℃±1℃条件下，充放电截止电压为0~3V，0.1C倍率下进行电化学测试。
[0035]对本实施例中的NaFe5O8负极材料进行XRD表征，如图2所示，XRD衍射峰与NaFe5O8的标准峰对应较好，且无其他明显杂质峰，说明成功制得了NaFe5O8，且具有较高纯度。对本实施例中的NaFe5O8负极材料进行SEM表征，结果如图3所示，大小不一的纳米级一次颗粒团聚在一起形成球状或块状，粒径约100~200nm。对本实施例中的NaFe5O8负极材料在0.1C倍率下进行电化学性能测试，循环性能、首圈充放电曲线、第2圈充放电曲线、第100圈充放电曲线如图4~7所示，本实施例制备的NaFe5O8负极材料的半电池在0.1C倍率的充放电过程中，其首次放电比容量为603.6mAh/g，循环50圈后放电比容量为29.0mAh/g，循环100圈后放电比容量为19.8mAh/g。
[0036]实施例2
[0037]本实施例提供一种铁基钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法，其与实施例1的唯一区别在于：步骤2：使用离心喷雾干燥设备对步骤1湿磨所得到的浆料进行喷雾干燥，得到粉末状样品;最终制备得NaFe5O8材料样品的性能不亚于实施例1。
[0038]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
说明书附图(7)
声明：
“钠离子电池负极材料NaFe5O8的制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：电子科技大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
