一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料及制备方法技术

一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料及制备方法，属于钾离子电池领域。具体步骤为：将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中配成混合溶液，然后将混合溶液干燥后研磨成粉末并将粉末置于管式炉中在氢氩混合气氛中加热保温，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯；随后将铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯置于空气氛围中热处理得到泡沫氧化铁。将泡沫氧化铁与升华硫研磨混合均匀，然后置于管式炉在氩气氛围中加热保温，收集粉末产物即得到泡沫状磁黄铁矿型硫化铁负极材料。本发明专利技术生产周期短，成本低，可重复性强且可大规模制备，作为钾离子电池负极时表现出优异性能，应用广阔前景。

A pyrrhotite type iron sulfide anode material for potassium ion battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料及制备方法
本专利技术属于钾离子电池领域，具体涉及一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料及制备方法。
技术介绍
随着经济的不断发展与科技的不断进步，能源的需求逐渐增大。但传统化石能源如煤、石油、天然气等的开发利用存在三个突出的问题：资源枯竭、气候变暖与环境污染。发展太阳能、风能与潮汐能等可再生能源，是解决不可再生能源所面临的突出问题与保障人类可持续发展的必然趋势。然而这些可再生能源高度依赖于天气和气候，具有波动性与随机性，因此急需研发大规模储能技术，使得可再生能源配合电网稳定运行。在目前的能源储存器件中，锂离子电池由于具有高的能量密度而大规模应用于便携式电子设备与电动汽车等领域，但锂资源不断上涨的价格与极其低的储量限制了其应用于大尺度的固定式电力储存。因此有必要发展具有低花费、丰富的自然资源、长寿命、高能量密度与功率密度的新型可充电电池，作为锂离子电池的替代物在未来应用于便携式电子设备、电动汽车与智能电网。近年来钾离子、钠离子等新型二次电池由于与锂离子电池具有相似的电化学原理而受到研究者的关注。其中钾离子电池具有资源丰富、低成本的优势，同时K/K+具有最接近Li/Li+的标准氧化还原电势而使得钾离子电池能呈现高的能量密度。目前大量碳材料被报道用于钾离子电池负极材料(CarbonelectrodesforK-ionbatteries,137(2015)11566-11569)，然而碳材料的理论比容量较低，无法满足高能量密度的需求。因此开发钾离子脱嵌过程中能够保持结构稳定的高容量负极材料具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单、高效、低成本、可规模化制备钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料及制备方法，制得的负极材料具有高的导电性且在循环过程中结构稳定，用该负极材料组装成的钾离子电池具有高容量，高倍率和长寿命等优点。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料，该负极材料的化学式为FexS，且为导体相，导电性优异，其中0.5≤x≤1；该负极材料为层状结构，层间能够存储钾离子，且首次脱嵌钾离子后，该结构转换为层间距更大的KyFexS，有利于后续的脱嵌钾过程，其中0≤y≤0.5。如上所述的钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料的制备方法，包括以下步骤：a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中超声搅拌8-12min配成混合溶液，然后完全干燥后研磨成粉；b.将研磨好的粉体转移至坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中在氢氩混合气体氛围中以5～10℃/min的升温速率加热至900～950℃，并保温1～2h，待管式炉冷却至室温后，收集黑色泡沫状产物，即为铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料；c.将得到的铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料在空气氛围中热处理得到红色泡沫状产物，即为泡沫氧化铁；d.将泡沫氧化铁和升华硫研磨混合，然后在氩混合气体氛围中以2～5℃/min的升温速率加热至500～600℃，并保温2～3h，待管式炉冷却至室温后，收集泡沫状产物，即为磁黄铁矿型泡沫硫化铁。进一步地，所述步骤a中九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)质量比为(1.5～1.8)：1。进一步地，所述步骤b中的氢氩混合气中，氩气体积含量为70％～90％，氢气体积含量为10％～30％。进一步地，所述步骤c中热处理温度为350～400℃，保温时间为3～4h。进一步地，所述步骤d中泡沫氧化铁和升华硫的质量比为1：(2.0～3.0)。相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：1)该负极材料的化学式为FexS，且为导体相，导电性优异，其中0.5≤x≤1；该负极材料为层状结构，层间能够存储钾离子，且首次脱嵌钾离子后，该结构转换为层间距更大的KyFexS，有利于后续的脱嵌钾过程，其中0≤y≤0.5。2)通过对反应物含量和温度的精确控制，可在较短的时间内制备出不同成分和不同形貌的磁黄铁矿型泡沫硫化铁。3)方法简单易操作，成本低，可规模化制备。附图说明图1为本专利技术制备的磁黄铁矿型泡沫硫化铁的FESEM照片。图2为本专利技术制备的磁黄铁矿型泡沫硫化铁的TEM照片。图3为本专利技术制备的磁黄铁矿型泡沫硫化铁的钾存储性能具体实施方式实施例一按质量比1:1.5称量聚乙烯吡咯烷酮(K30)和九水硝酸铁，将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中超声搅拌10min配成混合溶液，然后将混合溶液置于干燥箱中80℃保温直至完全干燥再研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氢氩混合气(氢气和氩气体积比为1:9)氛围中以5℃/min的升温速率加热至900℃，保温2h，待管式炉冷却后收集黑色泡沫状产物，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料。然后将得到的铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料在空气氛围中350℃热处理3h，得到红色泡沫状氧化铁；然后按质量比1:2称取泡沫氧化铁和升华硫，研磨混合均匀后置于管式炉中，在氩气氛围中以4℃/min的升温速率加热至550℃，保温2h，待管式炉冷却后收集泡沫状产物即为磁黄铁矿型泡沫硫化铁。具体数据见图1和图2。所得磁黄铁矿型泡沫硫化铁负极材料电化学测试方法如下：将磁黄铁矿型泡沫硫化铁负极材料、导电剂科琴黑及粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1混合，研磨均匀后加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)制成浆料，均匀涂布在铜箔上。100℃真空干燥10h后，用切片机将其裁剪成直径10mm的电极片备用。以金属钾片为对电极，玻璃纤维为隔膜，1mol/LKPF6/DGM为电解液，在氩气保护的手套箱中组装成CR2032型扣式电池。电池组装完后静置12h，用LANDCT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压为0.5～3.0V，电流密度为200mA/g。具体数据见图3。实施例二按质量比1:1.8称量聚乙烯吡咯烷酮(K30)和九水硝酸铁，将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中超声搅拌10min配成混合溶液，然后将混合溶液置于干燥箱中80℃保温直至完全干燥再研磨成粉体并将粉体转移至坩埚中，坩埚置于管式炉中在氢氩混合气(氢气和氩气体积比为1:9)氛围中以5℃/min的升温速率加热至900℃，保温2h，待管式炉冷却后收集黑色泡沫状产物，得到铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料。然后将得到的铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料在空气氛围中350℃热处理3h，得到红色泡沫状氧化铁；然后按质量比1:2称取泡沫氧化铁和升华硫，研磨混合均匀后置于管式炉中，在氩气氛围中以4℃/min的升温速率加热至550℃，保温2h，待管式炉冷却后收集泡沫状产物即为磁黄铁矿型泡沫硫化铁。实施例三按质量比1:1.5称量聚乙烯吡咯烷酮(K30)和九水硝酸铁，将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中超声搅拌10min配成混合溶液，然后将混合溶液置于干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料，其特征在于：该负极材料的化学式为Fe

【技术特征摘要】
1.一种钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料，其特征在于：该负极材料的化学式为FexS，且为导体相，导电性优异，其中0.5≤x≤1；该负极材料为层状结构，层间能够存储钾离子，且首次脱嵌钾离子后，该结构转换为层间距更大的KyFexS，有利于后续的脱嵌钾过程，其中0≤y≤0.5。


2.如权利要求1所述的钾离子电池用磁黄铁矿型硫化铁负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮(K30)溶解在去离子水中超声搅拌8-12min配成混合溶液，然后完全干燥后研磨成粉；
b.将研磨好的粉体转移至坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中在氢氩混合气体氛围中以5～10℃/min的升温速率加热至900～950℃，并保温1～2h，待管式炉冷却至室温后，收集黑色泡沫状产物，即为铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料；
c.将得到的铁纳米颗粒修饰的三维石墨烯复合材料在空气氛围中热处理得到红色泡沫状产物，即为泡沫氧化铁；
d.将泡沫氧化铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，韩坤，赵汪，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11