一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法技术

本发明专利技术公开了一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法，热处理程序温和，并在400℃时停留较长时间，避免原料升华硫在高温下易升华引发石英管破裂现象，导致反应失败或造成硫元素的大量损失。操作步骤简单，成本低廉，产物纯度很高，设备要求简单，合成周期短，适合扩大生产，为批量合成Fe2SSe提供了新途径；本发明专利技术所获得的Fe2SSe为块状颗粒，微观结构为二维层状，无团聚现象。二维层状结构的Fe2SSe作为锂离子负极材料时，在充放电过程中有利于锂离子的嵌入和脱出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池生产领域，具体涉及一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法。
技术介绍
作为锂离子电池负极材料，必须具有低污染、可回收﹑质量轻易携带、比容量高、循环充放电寿命长、没有记忆效应﹑充电快电压高、自放电率低、充满电后会自动停充、工作电压稳定、待机时间长等优点。目前已经商品化的负极材料主要为石墨电极。尽管石墨电极有着稳定的工作电压，但是其容量太低(仅为372mAh/g)。因此，寻找一种廉价、高容量、循环性能良好的负极材料已经迫在眉睫。Fe和S资源丰富且环境友好，因此，铁的硫化物作为锂离子电池负极材料已经被人们广泛研究。FeS有着较高的理论容量(609mAh/g)，但是在Li嵌入的过程中，会使得体积发生膨胀，破坏其循环性能。与FeS相反，FeSe在Li嵌入的过程中，晶格参数基本没有变化，但其理论容量(398mAh/g)较低。因此，综合FeS和FeSe的优点合成三元Fe2SSe负极材料，可能会有意想不到的电化学性能。实际上，Fe2SSe的理论容量高达480mAh/g，超过了石墨的理论容量。同时，Fe2SSe还有着较高的工作电压区间(1.0–3.5V)以及良好的循环性能。Fe2SSe不仅稳定性比FeS更好，其理论容量比FeSe更高。因此，Fe2SSe有着广泛的应用前景。在合成Fe2SSe的方法上，有关文献采用多步骤热处理法。一般先合成前驱体FeS、FeSe，然后将二者按照摩尔比1:1混合均匀，经过热处理得到Fe2SSe，但这样做的不足之处是合成过程较为复杂。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于采用一锅固相法合成一种锂离子电池负极材料Fe2SSe，该方法简单，快捷，在设备的要求上更接近于工业化应用的需求，设备要求简单。技术方案：本专利技术所述的一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法，包括如下几个步骤：1)按Fe、Se、S的摩尔比为2:1:1称取Fe，S和Se，混合后研磨均匀，压片；2)将步骤1)中所得的压片真空密封于石英管中，随后将石英管放入马弗炉中加热反应，10小时内缓慢升温到400℃，保温10小时；3)再经过10小时缓慢升温到950℃，保温30小时；4)关掉马弗炉自然降温到室温，获得目标产物Fe2SSe。进一步地，步骤2)采用氢氧焰和真空系统将所述压片真空密封于石英管中，氢氧焰是
用于熔融石英管，使其可以熔封；真空系统是将石英管里面抽成真空状态，此措施是为了确保反应在无水无氧的环境下进行，相对惰性气氛保护更加有效，避免S或Se在高温下的逸出，得不到目标产物或目标产物纯度不理想。有益效果：本专利技术采用一锅固相方法锂离子电池负极材料Fe2SSe，热处理程序温和，并在400℃时停留较长时间，避免原料升华硫在高温下易升华引发石英管破裂现象，导致反应失败或造成硫元素的大量损失。操作步骤简单，成本低廉，产物纯度很高，设备要求简单，合成周期短，适合扩大生产，为批量合成Fe2SSe提供了新途径；本专利技术所获得的Fe2SSe为块状颗粒，微观结构为二维层状，无团聚现象。二维层状结构的Fe2SSe作为锂离子负极材料时，在充放电过程中有利于锂离子的嵌入和脱出。附图说明图1为本专利技术实施例产物Fe2SSe和标准Fe2SSe的XRD对比图。图2为采用本专利技术方法合成的Fe2SSe的SEM图。图3和图4为Fe2SSe用作锂离子电池负极材料的充放电测试数据。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。实施例1一锅固相方法锂离子电池负极材料Fe2Sse的方法，称取总质量500mg(Fe、Se和S摩尔比为2:1:1)的Fe、Se以及S单质在玛瑙研钵中混合并研磨均匀。使用压片机将反应原料压片，采用氢氧焰和真空系统将所述压片真空密封于石英管中，随后将石英管放入马弗炉中加热反应，10小时内缓慢升温到400℃，升温速度为40℃/小时，保温10小时；再经过10小时缓慢升温到950℃，升温速度为95℃/小时，保温30小时；关掉马弗炉自然降温到室温，获得目标产物Fe2SSe。反应结束打开石英管取出产物，研磨好备用。产物特性：图1是实施例固相反应产物Fe2SSe的XRD图。反应得到Fe2SSe的XRD图与Fe2SSe的理论XRD图一致，说明合成的产物为Fe2SSe且为纯相。图2是采用本专利技术方法对应实施例中固相反应产物的Fe2SSe的SEM图。高温烧结出来的Fe2SSe为块状颗粒，但从其表面可以看出该物质为二维层状结构。层状结构的材料用在锂离子电池中有利于锂离子的嵌入和脱出。图3和图4是Fe2SSe用作锂离子电池负极材料时的电化学数据。从图中可以看出，通过本专利技术方法合成的二维层状结构Fe2SSe，当其用作锂离子电池负极材料时，在0.1C(48
mA/g)的电流下有高达408.6mAh/g的初始放电比容量(充放电电压范围在1.0–3.5V之间)，且首次充电比容量达到395.3mAh/g。该电池第二次、第三次放电比容量分别高达405.4mAh/g和397.8mAh/g，有着较理想库仑效率。在50和100个循环后，放电比容量还有324.5和301.4mAh/g。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法，其特征在于，包括如下几个步骤：1)按Fe、Se、S的摩尔比为2:1:1称取Fe，S和Se，混合后研磨均匀，压片；2)将步骤1)中所得的压片真空密封于石英管中，随后将石英管放入马弗炉中加热反应，10小时内缓慢升温到400℃，保温10小时；3)再经过10小时缓慢升温到950℃，保温30小时；4)关掉马弗炉自然降温到室温，获得目标产物Fe2SSe。

【技术特征摘要】
1.一锅固相法合成锂离子电池负极材料Fe2SSe的方法，其特征在于，包括如下几个步骤：1)按Fe、Se、S的摩尔比为2:1:1称取Fe，S和Se，混合后研磨均匀，压片；2)将步骤1)中所得的压片真空密封于石英管中，随后将石英管放入马弗炉中加热反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭胜平，李加闯，薛怀国，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32