碳壳包覆的NiS分级微米球及其制备方法和应用技术

技术编号:15693269 阅读:407 留言:0更新日期:2017-06-24 07:58
本发明专利技术提供一种碳壳包覆的NiS分级微米球电极材料及其制备方法和应用。该碳壳包覆的NiS分级微米球的直径为3‑4微米,NiS分级微米球包括NiS微米球核及包裹在NiS微米球外层的碳壳,碳壳的内表面和NiS微米球的外表面之间存在间隙,NiS微米球的直径为2‑3微米。本发明专利技术采用溶剂热反应‑包覆‑煅烧‑刻蚀四步法制备出碳壳包覆的NiS分级微米球电极材料。本发明专利技术是基于不同介质材料的膨胀系数不同,将不同应变能力的材料复合,其作为钠离子电池负极材料时,表现出较高的可逆容量和优异的循环稳定性,是高容量长寿命钠离子电池的潜在应用材料;并且本发明专利技术原料成本低,合成工艺简单,条件温和,符合绿色化学的要求,有利于产业化应用和推广。

Carbon shell coated NiS graded micrometer ball and preparation method and application thereof

The invention provides a carbon shell coated NiS graded micrometer spherical electrode material, a preparation method and an application thereof. NiS classification of microspheres coated by the carbon shell diameter of 3 4 micron, NiS grade microspheres including carbon shell NiS microspheres and NiS microspheres encapsulated in the nuclear layer, there is a gap between the outer surface of the carbon shell and the inner surface of NiS microspheres and NiS microspheres with diameters of 2 to 3 microns. The invention adopts the solvothermal reaction coated calcined etching four step preparation of NiS microspheres graded shell coated carbon electrode materials. The invention is based on the expansion coefficient of different materials is different, different strain ability of composite materials, as the anode materials of sodium ion battery, exhibited higher reversible capacity and excellent cycle stability, is a potential application material of high capacity and long-life sodium ion batteries; and the invention has low raw material cost, synthesis process simple, mild conditions, in accordance with the requirements of green chemistry, is conducive to the application and promotion of industrialization.

【技术实现步骤摘要】
碳壳包覆的NiS分级微米球及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
,具体涉及碳壳包覆的NiS分级微米球及其制备方法和应用。
技术介绍
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,制备出高效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,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40年。因此,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,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。因纳米材料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,而其中多孔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,过渡金属硫化物具有原料便宜,储量丰富,合成简单,理论容量高等特点,因而被广泛地研究。然而这种电极材料存在一个由于其发生的电化学转化反应造成材料不可逆相变,体积膨胀严重,结构难以维持导致容量衰减和循环寿命下降的技术问题。因此,如何提高过渡金属硫化物在电化学反应中的稳定性成为近年来研究热点,其主要采取的策略就是合成多孔分级结构和构建核壳结构的电极材料,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,而通过简单的溶剂热反应-包覆-煅烧-刻蚀四步法合成碳壳包覆的NiS分级微米球的方法目前未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有的技术而提供一种碳壳包覆的NiS分级微米球及其制备方法和应用,其工艺简单,成本较低,符合绿色化学的要求,所合成的碳壳包覆的NiS分级微米球在用作钠离子电池电极材料时具有良好的电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是:碳壳包覆的NiS分级微米球,所述NiS分级微米球的直径为3-4微米,所述NiS分级微米球包括NiS微米球核及包裹在所述NiS微米球外层的碳壳,所述碳壳的内表面和NiS微米球的外表面之间存在间隙,所述NiS微米球的直径为2-3微米。上述方案中,所述碳壳的厚度为15-25nm。所述的碳壳包覆的NiS分级微米球的制备方法,包括有以下步骤:1)将六水合氯化镍和五水合硫代硫酸钠加入到无水乙醇中,搅拌40-70min使其充分溶解;2)将步骤1)所得的溶液装入反应釜中进行溶剂热反应,取出反应釜,自然冷却到室温;3)将步骤2)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤多次,在烘箱中烘干即得到前驱体微球黑色粉末;4)将步骤3)所得的黑色前驱体加入到无水乙醇和去离子水中,加入氨水、间苯二酚、正硅酸乙酯、甲醛溶液,磁力搅拌1-2天;5)将步骤4)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤多次,在烘箱中烘干即得有机物包覆的微球;6)将步骤5)所得的有机物包覆的微球在管式炉中在氮气气氛中煅烧,自然冷却到室温即可得到碳壳包覆二氧化硅的NiS分级微米球;7)将步骤6)所得的碳壳包覆二氧化硅的NiS分级微米球用HF进行刻蚀;8)将步骤7)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤多次,在烘箱中烘干即得到碳壳包覆的NiS分级微米球。上述方案中,步骤1)所述的六水合氯化镍与五水合硫代硫酸钠的摩尔比为2:5;无水乙醇为30-50mL。上述方案中,步骤2)所述的溶剂热反应温度为160-200℃,溶剂热反应时间为12-24小时。上述方案中,步骤4)所述的去离子水为8-10mL,无水乙醇为50-80mL,氨水为1-2mL,间苯二酚为0.1-0.2g,正硅酸乙酯为0.4-0.8mL,甲醛溶液为0.1-0.2mL,温度为10-20℃。上述方案中,步骤7)所述的HF溶液浓度为20wt-40wt%。上述方案中,步骤6)所述的煅烧温度为400-600℃;煅烧时间为8-16小时。所述的碳壳包覆的NiS分级微米球作为钠离子电池负极材料的应用。本专利技术“碳壳包覆的NiS分级微米球电极材料”缩短了钠离子在电化学反应中的扩散路径,提高了活性材料的比表面积和电化学活性位点,在钠离子脱嵌过程中缓冲材料体积急剧变化而保证其结构和电化学稳定性,通过构建碳壳包覆的NiS分级微米球的核壳结构所形成的中层空隙有效地提高了材料的电化学性能。该材料作为钠离子电池负极材料时在1000mA/g高电流密度下充放电测试,其首次充放电比容量可达651.1mA/g,200次循环后为526.7mA/g,容量保持率为81.8%。该结果表明该碳壳包覆的NiS分级微米球电极材料具有较高的容量和优异的循环稳定性,是高容量长寿命钠离子电池的潜在应用材料。本专利技术的有益效果如下:(1)本专利技术通过简单的溶剂热反应-包覆-煅烧-刻蚀四步法合成碳壳包覆的NiS分级微米球,其制备工艺简单易操作,大大降低了电极材料的制备成本,并且制备过程绿色环保,具有潜在的大规模市场应用价值;(2)本专利技术合成的碳壳包覆的NiS分级微米球具有高度分散、大小均一、物相纯度高的特点,便于制备高质量的电极材料;(3)当作为钠离子电池负极材料时,该多孔微米球表现出较高的容量和优异的循环稳定性,是高容量长寿命钠离子电池的潜在应用材料。附图说明图1为本专利技术制备所述碳壳包覆的NiS分级微米球的结构示意图解;图2为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球的XRD物相图;图3a、b均为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球前驱体的FESEM形貌图;图4a、b为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球煅烧并用HF刻蚀后的FESEM形貌图;图5a、b为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球的元素的能量色散谱(EDS)分布图(Mapping);图6为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球的BET比表面积和孔径分布图,其中,a图表示碳壳包覆的NiS分级微米球的BET比表面积图,b图表示碳壳包覆的NiS分级微米球的孔径分布图;图7为本专利技术实施例1的碳壳包覆的NiS分级微米球在1000mA/g电流密度下的电池循环性能曲线图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术,下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容,但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1碳壳包覆的NiS分级微米球的制备方法,它包括如下步骤:1)将2mmol六水合氯化镍和5mmol五水合硫代硫酸钠加入到40mL无水乙醇中,搅拌60min,使其充分溶解得到绿色溶液;2)将步骤1)所得的溶液装入50mL反应釜中180℃溶剂热反应12小时,取出反应釜,自然冷却到室温;3)将步骤2)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤6次,在烘箱中80℃烘干即得到前驱体微球黑色粉末;4)将步骤3)所得的黑色前驱体加入到70mL无水乙醇和10mL去离子水中,加入1.5mL氨水、0.15g间苯二酚、0.4mL正硅酸乙酯(TEOS)、0.2本文档来自技高网
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碳壳包覆的NiS分级微米球及其制备方法和应用

【技术保护点】
碳壳包覆的NiS分级微米球,其特征在于,所述NiS分级微米球的直径为3‑4微米,所述NiS分级微米球包括NiS微米球核及包裹在所述NiS微米球外层的碳壳,所述碳壳的内表面和NiS微米球的外表面之间存在间隙,所述NiS微米球的直径为2‑3微米。

【技术特征摘要】
1.碳壳包覆的NiS分级微米球,其特征在于,所述NiS分级微米球的直径为3-4微米,所述NiS分级微米球包括NiS微米球核及包裹在所述NiS微米球外层的碳壳,所述碳壳的内表面和NiS微米球的外表面之间存在间隙,所述NiS微米球的直径为2-3微米。2.根据权利要求1所述的碳壳包覆的NiS分级微米球,其特征在于,所述碳壳的厚度为15-25nm。3.根据权利要求1或2所述的碳壳包覆的NiS分级微米球的制备方法,其特征在于,包括有以下步骤:1)将六水合氯化镍和五水合硫代硫酸钠加入到无水乙醇中,搅拌40-70min使其充分溶解;2)将步骤1)所得的溶液装入反应釜中进行溶剂热反应,取出反应釜,自然冷却到室温;3)将步骤2)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤多次,在烘箱中烘干即得到前驱体微球黑色粉末;4)将步骤3)所得的黑色前驱体加入到无水乙醇和去离子水中,加入氨水、间苯二酚、正硅酸乙酯、甲醛溶液,磁力搅拌1-2天;5)将步骤4)所得的产物离心过滤,并用水和无水乙醇洗涤多次,在烘箱中烘干即得有机物包覆的微球;6)将步骤5)所得的有机物包覆的微球在管式炉中在氮气气氛中煅烧,自然冷却到室温即可得到碳壳包覆二氧化硅的NiS分级微米球;7)将步...

【专利技术属性】
技术研发人员:夏冬林李力李启东朱昊汪晨阳周斌
申请(专利权)人:武汉理工大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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