一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法和用途技术

本发明专利技术属于电池电极材料领域，涉及一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法和用途。本发明专利技术采用一步水热法，通过调控反应的温度，溶液酸碱度，煅烧温度，实现对花状FeSx/C复合材料的合成，并将其作为负极材料应用于钠离子电池。本发明专利技术的制备方法具有原料易得，合成方法简单易行，碳包覆效果良好，可重复性强的优点，利用本发明专利技术制备的FeSx/C复合材料作为钠离子电池的负极材料，能够有效地提高电池的比容量，增强电池的稳定性及倍率性能。

Preparation and application of flower-like FeSx/C Nanocomposites

The invention belongs to the field of battery electrode material, and relates to a preparation method and application of flower-like FeSx/C nanocomposite material. The invention adopts one-step hydrothermal method to synthesize flower-like FeSx/C composite material by adjusting reaction temperature, solution acidity and alkalinity, and calcination temperature, and applies it as a negative electrode material for sodium ion batteries. The preparation method of the invention has the advantages of easy availability of raw materials, simple and feasible synthesis method, good carbon coating effect and strong repeatability. The FeSx/C composite prepared by the invention can be used as the negative material of sodium ion battery to effectively improve the specific capacity of the battery, enhance the stability and rate performance of the battery.

【技术实现步骤摘要】
一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法和用途
本专利技术属于电池电极材料领域，涉及一种花状FeSx/C纳米复合钠离子电池负极材料的制备方法和用途。
技术介绍
锂离子电池由于其高的能量密度而被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动车等储能元件，但是锂的储量有限且价格昂贵，这极大地限制了锂离子电池的大规模发展。目前，钠离子电池以其丰富的钠资源、低廉的成本、环境友好等优点成为未来最有可能替代锂离子电池的储能方式。近年来对钠离子电池的研究取得了一定的进展。到目前为止，在众多钠离子电池负极材料中，锡、锑、磷、金属硫化物等物质由于具有较高的理论容量而受到了学者们的广泛关注。金属硫化物以其较高的理论容量而成为最有潜力的钠离子电池负极材料。一般金属硫-钠电池材料包括FeS、FeS2、SnS、NiS2、CuS等，这些材料因为其高倍率的性能和特殊的容量，已成为人们研究过渡金属硫化物材料的着重关注点。其中FeS和FeS2都是一种稳定、无毒并且易于制备的廉价材料，具有较高的理论容量(609mAhg-1和894mAhg-1)，但是FeS和FeS2在充放电过程中会发生体积膨胀(FeS和FeS2的体积膨胀分别为170％和280％)从而使活性物质在循环过程中造成结构的塌陷，最终会使材料逐渐粉化，导致电极材料的脱落，而失去电化学活性。因此，提高FeS和FeS2作为钠离子电池负极材的循环稳定性和高倍率性能，是目前急需攻克的首要难关，目前鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种FeSx/C花状复合钠离子电池负极材料的制备方法，通过一步水热法的方法合成硫化亚铁同时部分还原生成二硫化亚铁的纳米复合材料，将其作为钠离子电池负极材料，显著改善了FeS负极材料的电化学性能。一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将铁盐、硫源按照一定比例溶解在pH为3～8.5的溶液中，再加入多巴胺，经超声得到澄清透明的混合溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液倒入反应釜中，在高温高压下进行反应；(3)将产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤，烘干，经过管式炉煅烧，最终得到花状FeSx/C纳米复合材料。步骤(1)中，在酸性条件下多巴胺水解还需要加入过硫酸钾或过硫酸钠，其中多巴胺和过硫酸钾或过硫酸钠的质量比为2:1。步骤(1)中，铁盐为六水合氯化铁、硝酸铁、硫酸铁或乙酰丙酮铁，硫源为硫代乙酰胺、硫代硫酸钠、硫脲、卡拉胶、硫粉或升华硫。步骤(1)中，铁盐、硫源的摩尔比为1：1～2.5。步骤(1)中，多巴胺的加入量为产物花状FeSx/C纳米复合材料质量的20～50％。步骤(1)中，pH为3～8.5溶液为pH＝4.0的盐酸溶液、去离子水或pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷溶液。步骤(1)中，超声的时间为0.5～2h。步骤(2)中，反应温度为200℃，时间为24～60h。步骤(3)中，煅烧温度为200～600℃，煅烧时间2h，升温速率为2℃·min-1。将本专利技术制得的花状FeSx/C纳米复合材料用于钠离子电池负极材料的用途。与现有技术相比，本专利技术的有益的效果为：1)碳材料具有较好的离子迁移率，有利于改善复合材料的电接触，提高复合材料的导电性，弥补金属硫化物电子电导率低的缺点，提高复合材料在大倍率充放电下的性能下。同时，碳包覆可以限制复合材料在充放电过程中体积膨胀的空间，缓解活性材料在脱嵌钠时的结构塌陷，抑制材料粉化而使其从集流体上脱落，改善复合材料在长循环下的稳定性。多巴胺作为碳源，既起到了增强导电性，抑制体积膨胀的作用，又由于它具有还原性，可以将部分三价铁还原成二价铁,经反应釜反应生成FeS2(理论容量为894mAhg-1)，从而提高FeSx纳米复合材料的容量,同时其充电时的体积膨胀不会太大(FeS在钠电中的体积膨胀为170％，FeS2在钠电中的体积膨胀为280％)。在0.1C的电流密度下(1C＝894mAg-1)，首次充放电达到了606.3mAhg-1,经过100次循环后，电容量在536.1mAhg-1。2)本专利技术采用简单的一步水热法，使制备方法易行，成本低，可重复率高，对环境污染小。附图说明图1为本专利技术实施案例1、2中FeSx/C的X射线衍射图。图2为本专利技术实施案例1制备的FeSx/C的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术实施案例1制备的FeSx/C的电化学性能图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细阐述，令技术人员能借以实施。实施例11)选取铁、硫按照摩尔比1:2.5，多巴胺含量为30％的条件，取0.5012g六水合氯化铁、0.3521g硫脲、0.12g多巴胺和0.06g过硫酸钾溶解在20mLpH＝4的盐酸溶液中，超声30min，超声功率为99W，得到澄清透明的混合溶液A；2)将步骤(1)中的混合溶液A倒入反应釜中，在200℃下反应60h；3)将所得产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤三遍，将合成材料置于鼓风干燥箱内80℃烘干12h，然后在管式炉中以2℃·min-1的升温速率到达600℃并保持2h，最后收集坩埚中的产物，得到FeSx/C纳米复合钠离子电池负极材料。图1中(a)是实施案例1中制备的FeSx/C纳米复合材料X射线衍射图，从图中可以发现，产物为FeS/FeS2/C纳米复合材料(JCPDS65-9124及JCPDS99-0087)。图2是实施案例1中制备的FeSx/C纳米复合材料扫描电子显微镜图，从图中可以看出，所制备的FeSx/C纳米复合材料中FeS及FeS2颗粒分布在碳纳米片上，且片层相互堆积交错，形成花状结构。将实施案例1中的FeSx/C纳米复合材料制备成CR2032扣式电池。具体步骤如下：1)将所制备的FeSx/C纳米复合材料、导电炭黑、粘结剂羧甲基纤维素按照质量比7:2:1的比例分散在水中，经玛瑙研钵研磨均匀后涂抹在铜箔基底上。2)在真空干燥箱中90℃干燥12h。3)以金属钠作为对电极，使用Whatman(GF/C)玻璃纤维隔膜，采用1molL-1NaClO4/碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯(1：1)：10％氟代碳酸乙烯酯的电解液，在水、氧含量均低于0.1ppm的手套箱中进行扣式电池的组装。将所组装的电池用蓝电电池测试系统进行充放电性能测试，用Gmary电化学工作站进行循环伏安测试和阻抗测试。如图3中a曲线所示，在测试电压为0.5V-2.5V，在0.1C的倍率下(1C＝894mAg-1)，第二圈放电比容量达到了606.3mAhg-1，经过100次循环后，电容量仍有536.1mAhg-1。如图3中b曲线所示，第二圈的库伦效率为97.09％，在循环过程中，其库伦效率在第五圈后都大于98.45％。这说明通过调节实验过程中的有关参数，成功制备出了一种具有较好的电化学性能的钠离子电池负极材料。实施例21)选取铁、硫按照摩尔比1:2.5，多巴胺含量为20％的条件，取0.5002g六水合氯化铁、0.3541g硫脲和0.06g多巴胺溶解在20mLpH＝4.0的盐酸溶液中，加入0.03g过硫酸钾，超声30min，超声功率为99W，得到澄清透明的混合溶液A；2)将步骤(1)中的混合溶液A倒入反应釜中，在200℃下反应60h；3)将所得产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤三遍，将合成材料置于鼓风干燥箱内80℃烘干12h，然后在管式炉中以2℃·min-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铁盐、硫源按照一定比例溶解在pH为3～8.5的溶液中，再加入多巴胺，经超声得到澄清透明的混合溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液倒入反应釜中，在高温高压下进行反应；(3)将产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤，烘干，经过管式炉煅烧，最终得到花状FeSx/C纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铁盐、硫源按照一定比例溶解在pH为3～8.5的溶液中，再加入多巴胺，经超声得到澄清透明的混合溶液；(2)将步骤(1)中的混合溶液倒入反应釜中，在高温高压下进行反应；(3)将产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤，烘干，经过管式炉煅烧，最终得到花状FeSx/C纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在酸性条件下多巴胺水解还需要加入过硫酸钾或过硫酸钠，其中多巴胺和过硫酸钾或过硫酸钠的质量比为2:1。3.根据权利要求1所述的一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铁盐为六水合氯化铁、硝酸铁、硫酸铁或乙酰丙酮铁，硫源为硫代乙酰胺、硫代硫酸钠、硫脲、卡拉胶、硫粉或升华硫。4.根据权利要求1所述的一种花状FeSx/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铁盐、硫源的摩尔比为1：1～2....

【专利技术属性】
技术研发人员：邱静霞，祁莹，王广，包健，连加彪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32