盒状项链多级结构Fe制造技术

本发明专利技术公开了一种盒状项链多级结构Fe

【技术实现步骤摘要】
盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池材料合成
，具体涉及一种盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池(LIBs)因其重量轻、效率高、能量密度高、循环寿命长等优点，一直占据着便携式电子设备的大部分市场份额，并逐渐应用于电动汽车的动力源。过渡金属硫化物具有优异的储能性能，在电极材料中脱颖而出。它们通常比相应的金属氧化物具有更高的导电性和机械稳定性。二硫化钨(WS2)是一种重要的负极材料，理论比容量为433mAhg-1，其结构类似于二维石墨烯，在范德华力的作用下将三层叠加原子层(S-W-S)连接在一起。然而，根据锂嵌入/挤压过程的转化机理，由于体积变化大，二硫化钨纳米片的容量和速率也会下降。近年来，“界面约束”反应体系受到越来越多研究者的关注。复合纳米材料的制备本质上是一个非均质过程，与材料组分的表面/界面性质密切相关。因此，从分子或原子尺度上调整材料的界面结构，对改善材料的宏观性能具有重要意义。“界面约束”反应为研究人员调节界面上的反应点提供了有力的工具。因此，引入Fe7S8纳米粒子，并将其插入二硫化钨纳米薄片，其中Fe7S8纳米粒子与二硫化钨纳米薄片互为限制模板，合成了双金属硫化物的异质结构，提升了复合材料的导电性和倍率性能。一方面，该方法避免了二硫化钨纳米片的快速团聚，对二硫化钨纳米片的生长和约束起到了一定的指导作用。另一方面，Fe7S8纳米颗粒在充放电过程中可以减轻WS2纳米片的体积膨胀和粉化。更重要的是，它改变了电极材料的界面结构，激发了更多的活性位点，协同提高了材料的容量性能和倍率性能，解决了二硫化钨易粉化，容量保持率低的问题。但是这种复合材料由于仅仅是两种金属硫化物的相互作用，界面约束所能解决的问题还不够，对材料的导电性和电池性能提升比较局限，因此，采用项链结构碳纤维的空间限域作用，可以更加有效的增强其导电性和电化学性能，并且进一步的增强材料的机械性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料及其制备方法。实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料，所述负极材料呈盒状项链多级结构，其中，八硫化七铁颗粒和二硫化钨纳米片组成的复合材料限域生长在空心介孔纳米碳盒内部形成盒状部分（Fe7S8/WS2@C），串联盒状部分的是一维碳纤维CNFs，一维碳纤维CNFs和盒状部分相互连接形成三维交联网状，构成所述的锂离子电池负极材料。进一步的，空心介孔纳米碳盒为立方体结构，其边长为200~600nm，表面介孔孔径为2~5nm，碳盒壁厚为10~40nm。进一步的，八硫化七铁颗粒和二硫化钨纳米片组成的复合材料中，二硫化钨和八硫化七铁为电活性物质，其中，二硫化钨为片层纳米片构成的花球形，直径50~200nm，层数2~8层；八硫化七铁为颗粒状，粒径为5~50nm，分布在二硫化钨片层纳米片之间，二硫化钨与八硫化七铁的质量比为1：0.5~1.2。进一步的，一维碳纤维CNFs的直径为100~500nm。上述锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）采用静电纺丝技术，将立方体α-Fe2O3与聚丙烯腈混纺，得到α-Fe2O3/PAN复合纳米纤维；（2）α-Fe2O3/PAN复合纳米纤维在氩/氢混合气气氛下高温煅烧，得到空心盒状项链结构Fe@C-CNFs材料；（3）空心盒状项链结构Fe@C-CNFs与硫粉在氩气气氛下高温硫化，得到部分空心盒状项链结构Fe7S8@C-CNFs复合材料；（4）将二水钨酸钠，硫脲和硼氢化钠按一定比例溶于水，再将部分空心盒状项链结构Fe7S8@C-CNFs复合材料加入上述溶液中，水热反应，待反应结束后离心洗涤，取得固相后干燥，将干燥后的产物在氩气气氛下煅烧，煅烧温度550±10℃，反应时间为2h，即得盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs。进一步的，步骤（1）中，静电纺丝液制备步骤如下：将聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，超声混合均匀，并加入α-Fe2O3，其中，聚丙烯腈、立方体α-Fe2O3和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1：0.05~1.5：10~25，继续超声分散，室温下搅拌得到静电纺丝液。进一步的，步骤（2）中，高温煅烧温度为500~800℃，升温速率为2℃/min，煅烧时间2~4h，氩/氢混合气氢气体积百分含量为5%，煅烧过程中立方体α-Fe2O3被还原为Fe，还原产生空心结构，热解与还原产生的气体CO2和H2O造成碳盒表面的介孔。进一步的，步骤（3）中，高温硫化温度为550~750℃，升温速率为2℃/min，煅烧时间3~5h，硫粉与盒状项链结构Fe@C-CNFs材料的质量比为1：0.5~3。进一步的，步骤（4）中，二水钨酸钠、硫脲、硼氢化钠、水、盒状项链结构Fe7S8@C-CNFs复合材料的质量比为1：1~3：0.1~0.5：20~50：1.2~3。进一步的，步骤（4）中，于250±10℃下水热反应2h。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术制备的盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料，结构设计新颖，以特殊的空心介孔碳盒-碳纤维复合结构作为骨架，将八硫化七铁和二硫化钨限域生长在空心介孔立方纳米碳盒中，盒状项链结构中的空心盒部分为粒径均一的空心介孔立方纳米碳盒及内部生长的八硫化七铁颗粒和二硫化钨纳米片组成的核壳结构，Fe7S8纳米颗粒与二硫化钨纳米薄片互为限制模板，形成了双金属硫化物的异质结构，这种界面限制效应有效限制了二硫化钨的团聚。空心介孔立方纳米碳盒内部的空腔可以缓冲八硫化七铁颗粒和二硫化钨体积效应，防止片层脱落维持结构的稳定，串联空心碳盒部分的是一维碳纤维CNFs，相互连接形成三维交联网状，三维交联网状提高复合材料的导电性。附图说明图1为实施例1制备的α-Fe2O3/PAN复合材料的扫描电镜图，其中，a为11000倍放大条件下的扫描图，b为30000倍放大条件下的扫描图。图2为实施例1，4，5制备的Fe@C-CNFs透射电镜图，其中，a为实施例1条件下得到的Fe@C-CNFs，b为实施例4条件下得到的Fe@C-CNFs，c为实施例5条件下得到的Fe@C-CNFs。图3为实施例2制备的Fe7S8@C-CNFs透射电镜图，其中，a为较小放大倍数下的透射图，b为较大放大倍数下的透射图。图4为实施例3制备的Fe7S8/WS2@C-CNFs透射电镜图，其中，a为较小放大倍数下的透射图，b为较大放大倍数下的透射图。图5为实施例4制备的Fe7S8/WS2@C-CNFs透射电镜图，其中，a为较小放大倍数下的透射图，b为较大放大倍数下的透射图。图6为实施例5制备的Fe7S8/WS2@C-CNFs透射电镜图，其中，a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盒状项链多级结构Fe

【技术特征摘要】
1.一种盒状项链多级结构Fe7S8/WS2@C-CNFs锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极材料呈盒状项链多级结构，其中，八硫化七铁颗粒和二硫化钨纳米片组成的复合材料限域生长在空心介孔纳米碳盒内部形成盒状部分，串联盒状部分的是一维碳纤维CNFs，两者相互连接形成三维交联网状，构成所述的锂离子电池负极材料。


2.如权利要求1所述的负极材料，其特征在于，空心介孔纳米碳盒为立方体结构，其边长为200~600nm，表面介孔孔径为2~5nm，碳盒壁厚为10~40nm。


3.如权利要求1所述的负极材料，其特征在于，八硫化七铁颗粒和二硫化钨纳米片组成的复合材料中，二硫化钨和八硫化七铁为电活性物质，其中，二硫化钨为片层纳米片构成的花球形，直径50~200nm，层数2~8层；八硫化七铁为颗粒状，粒径为5~50nm，分布在二硫化钨片层纳米片之间，二硫化钨与八硫化七铁的质量比为1：0.5~1.2。


4.如权利要求1所述的负极材料，其特征在于，一维碳纤维CNFs的直径为100~500nm。


5.一种如权利要求1-4任一所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用静电纺丝技术，将立方体α-Fe2O3与聚丙烯腈混纺，得到α-Fe2O3/PAN复合纳米纤维；
（2）α-Fe2O3/PAN复合纳米纤维在氩/氢混合气气氛下高温煅烧，得到空心盒状项链结构Fe@C-CNFs材料；
（3）空心盒状项链结构Fe@C-CNFs与硫粉在氩气气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铭，吴化雨，严晨怡，许诺，许琳，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32