一种一维硫化锑-碳复合材料、其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种一维硫化锑‑碳纳米线复合材料及其制备方法，本发明专利技术制备得到的一维Sb2S3/C纳米线复合材料，结构均一、硫化锑粒子规则统一且均匀分布在碳纳米线内部和表面，制备方法具有原料简单易得、价格低廉、合成方法简单、环境友好的优点；该材料用作锂离子电池负极材料时，循环稳定性好、比容量高、能有效抑制循环过程中合金化的体积膨胀，用于锂离子电池负极材料时，在100mA g

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及储能材料、新能源以及电化学领域，尤其是一种一维硫化锑-碳复合材料、其制备方法和应用。
技术介绍
能源和环境是人类跨入21世纪必须面临的两个严峻的挑战，开发新能源和可再生清洁能源是当今世界经济中最具决定性影响的技术之一。特别是伴随着石油、煤炭、天然气等不可再生能源的逐渐减少和日益严重的环境问题，高效、环保、节能型新能源材料技术的研究和应用越发显得重要。锂离子电池具有其它二次电池无法比拟的特点，在新兴的便携式电子产品如：手提电脑、摄像机和移动电话等方面得到了广泛的应用，有关锂离子电池的研究也成为人们关注的热点。金属硫化物纳米材料硫化锑具有高容量的特性，由于有两步锂插入过程，其理论具体容量很高，为946mAhg–1。但是现有技术用作锂电池负极材料的硫化锑复合材料是通过水热制备出棒状、束状硫化锑，没有和碳的复合，循环稳定性差，容量低。另外硫化锑与碳纳米管复合存在生产困难，价格昂贵的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种一维掺硫化锑碳纳米线复合材料及其制备方法和应用，其目的在于通过独特的结构设计，采用静电纺丝技术，SbCl3还原法和真空高温硫化相结合的方式，将活性纳米材料硫化锑嵌入碳纳米线制备得到本专利技术的锂离子电池硫化锑负极材料，由此解决现有技术硫化锑的复合材料作为锂离子电池负极材料中存在的循环稳定性差、比容量低、与碳纳米管复合困难等问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种一维硫化锑-碳纳米线复合材料，所述复合材料的化学式组成为Sb2S3/C,其中硫化锑粒子分布在碳纳米线内部和表面，其硫化锑的质量百分数为33～41％，余量为C。优选地，所述碳纳米线的尺寸为150～300nm。优选地，所述硫化锑粒子的尺寸为15～30nm。优选地，所述复合材料用于锂离子电池材料时，在100mAg-1、150圈循环之后具有510～551mAhg-1的容量。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种一维硫化锑-碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氯化锑、聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为0.07～0.11:0.07～0.11:1混合均匀，制备得到锑盐前驱体纺丝液；(2)将步骤(1)获得的前驱体纺丝液在高压下纺丝，得到前驱体一维纳米线；其中纺丝电压为18～22KV，纺丝推注速率为0.2～1.0mm/min；(3)将步骤(2)获得的一维纳米线在氢/氩气氛中高温煅烧，冷却后得到一维掺锑碳纳米线；所述煅烧温度为550～750℃，煅烧时间为6～10h；(4)将步骤(3)获得的一维掺锑碳纳米线在真空中，300～350℃下发生硫化反应6～10h，得到一维硫化锑-碳复合材料。优选地，步骤(2)中所述纺丝电压为20KV，纺丝推注速率为0.6mm/min。优选地，步骤(3)所述氢/氩气氛中氢气和氩气的体积比例为10:90。优选地，步骤(4)所述硫化反应为通过加入过量硫粉进行。优选地，步骤(4)中所述高温煅烧升温速率为5～10℃/min。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的一维掺硫化锑碳纳米线复合材料的应用，应用于锂离子电池的负极材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。(1)本专利技术制备得到的一维硫化锑-碳纳米线复合材料，其中Sb2S3粒子的尺寸为20～30nm左右，碳纳米线的尺寸为150～300nm。应用于锂离子负极材料时，稳定性好、比容量高、能够有效抑制循环过程中合金化的体积膨胀。用于锂离子电池负极材料时，在100mAg-1、150圈循环之后具有高达521mAhg-1的容量。(2)本专利技术提供的一维硫化锑-碳纳米线复合材料，在制备过程中具有合成原料合成方法简单、环境友好、结构独特，且合成的材料性能良好、稳定，形貌均匀，具有比容量高、结构稳定、毒性小、生产工艺成熟的优点。(3)本专利技术制备的一维硫化锑-碳纳米线复合材料，Sb2S3纳米颗粒和一维碳纤维的复合材料和纯的Sb2S3材料相比，通过将Sb2S3制备成均匀分布的纳米颗粒，规则统一且均匀分布在碳纳米线内部和表面，有效地缓解了锂/钠离子在充放电过程中的嵌入和脱出引起的体积变化，从而使循环性能和使用寿命有了极大的提高，同时，碳纤维也为复合材料提供了良好的导电性能和机械性能。附图说明图1是本专利技术的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的制备工艺流程图；图2是本专利技术实施例1制备得到的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的SEM图；图3是本专利技术实施例1制备得到的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的TEM图；图4是本专利技术实施例1制备得到的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的X射线衍射图；图5是本专利技术实施例1制备得到的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的循环性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的一种一维硫化锑-碳纳米线复合材料，其化学组成为Sb2S3/C,其中Sb2S3纳米粒子均匀分布在碳纳米线内部和表面，其Sb2S3的质量百分数为33～41％，余量为C，所述碳纳米线的尺寸为150～300nm，所述硫化锑粒子的尺寸为15～30nm。本专利技术的一维Sb2S3/C纳米线复合材料应用于锂离子电池负极材料时，循环稳定性好，比容量高，能够有效抑制循环过程中合金化的体积膨胀。用于锂离子电池材料时，在100mAg-1、150圈循环之后具有510～551mAhg-1的容量。本专利技术提出的一维硫化锑-碳纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氯化锑、聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为0.07～0.11:0.07～0.11:1混合均匀，制备得到锑盐前驱体纺丝液；(2)将步骤(1)获得的前驱体纺丝液在高压下纺丝，得到前驱体一维纳米线；其中纺丝电压为18～22KV，优选为20KV，纺丝推注速率为0.2～1.0mm/min，优选为0.6mm/min；(3)将步骤(2)获得的一维纳米线在氢/氩气氛中高温煅烧，所述氢/氩混合气体积比例为10:90，冷却后得到一维掺锑碳纳米线；所述煅烧温度为550～750℃，煅烧时间为6～10h；(4)将步骤(3)获得的一维掺锑碳纳米线在真空中，用过量硫粉高温硫化，再用二硫化碳洗去残留的硫粉，得到一维硫化锑-碳纳米线复合材料，其中升温速率为5～10℃/min，硫化反应温度为300～350℃，硫化反应时间20～24h。本专利技术通过将SbCl3还原成锑单质，再将其通过真空封管高温用硫粉硫化为硫化锑，该制备方法简易可行，合成产物纯度高。本专利技术采用静电纺丝技术，首次使用SbCl3还原法和真空封管高温硫化相结合的方式，将活性材料硫化锑嵌入碳纳米线制备得到一维硫化锑-碳纳米线复合材料，应用于锂离子电池硫化锑负极材料，表现出优越的性能，100mAg-1下循环150圈后能达到首次循环容量的86％，而现有技术水热合成的方法制备得到的硫化锑锂离子电池负极材料在100mAg-1下循环100圈后其容量降低至首次循环容量的79％。步骤(1)选择SbCl3作为锑源，是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一维硫化锑‑碳纳米线复合材料，其特征在于，所述复合材料的化学式组成为Sb2S3/C,其中硫化锑粒子分布在碳纳米线内部和表面，其硫化锑的质量百分数为33～41％，余量为C。

【技术特征摘要】
1.一种一维硫化锑-碳纳米线复合材料，其特征在于，所述复合材料的化学式组成为Sb2S3/C,其中硫化锑粒子分布在碳纳米线内部和表面，其硫化锑的质量百分数为33～41％，余量为C。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳纳米线的尺寸为150～300nm。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述硫化锑粒子的尺寸为15～30nm。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料用于锂离子电池材料时，在100mAg-1、150圈循环之后具有510～551mAhg-1的容量。5.一种一维硫化锑-碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氯化锑、聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为0.07～0.11:0.07～0.11:1混合均匀，制备得到锑盐前驱体纺丝液；(2)将步骤(1)获得的前驱体纺丝液在高压下纺丝，得到前驱体一维纳米线；其中纺丝电压为18～22KV，纺丝推注速率为0.2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱明强，张唯，余翔翔，喻能，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42