一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法及其在电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法，包括以下步骤：1)将偏钒酸铵和无水三氯化铁分别溶解到去离子水中搅拌均匀，20℃～35℃下将两种溶液混合后转移至高压反应釜中，180℃～200℃加热2～4h，洗涤，真空干燥干燥后得FeVO4前驱体；2)将盐酸多巴胺加入Tris溶液中搅拌均匀，加入FeVO4前驱体，搅拌均匀后离心，洗涤，干燥后得盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体；3)将盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体与硫粉混合，在氩氢混合气氛中煅烧后即得。本发明专利技术所得氮掺杂碳包覆FeV2S4作为钠电子电池负极材料应用具有高倍率、高储能和长寿命的显著特点，双金属阳离子的协同作用能够有效增加钠离子储存位点，促进了钠离子和电子的运输，从而获得了优异的储钠性能。获得了优异的储钠性能。获得了优异的储钠性能。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法及其在电池中的应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，尤其涉及一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法及其在电池中的应用。

技术介绍

[0002]在各种电化学储能系统中，锂离子电池(LIBs)以能量密度高、输出电压高、环境友好等独特优势，广泛应用于各种电子产品和能源器件。然而，地壳中锂资源储量有限，LIBs发展消耗大量锂资源，使得LIBs成本提高阻碍其持续发展。因此，迫切需要开发一种有前景的储能器件来替代LIBs应用于大规模储能。在这方面，钠离子电池引起了广泛的研究，钠具有与锂相似的电化学性质，更丰富的储量(Na：2.36wt％，Li：0.0017wt％)，成本低廉。但Na
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半径较大，无法在锂电商业化的石墨负极材料中嵌入脱出，使石墨不能直接用作钠离子电池(SIBs)负极。因此，探索高性能负极材料应用于大规模储能的SIBs显得尤为重要。钒硫化物因为具有较高的理论容量和良好的可逆性引起了研究人员的注意，但其存在导电性不佳、循环过程中发生体积膨胀的问题，为解决这些问题，研究人员对双金属硫化物展开了研究，双金属硫化物其中两种金属阳离子的协同作用使其具有更丰富的氧化还原反应，能够提高导电率等特点，有效改善了电化学性能。
[0003]如今双金属硫化物也得到了广泛研究，Markus Krengel等人通过高温煅烧固相反应的方法制备了CuV2S4钠离子电池负极材料，其表现出较好的循环性能和倍率性能。他们又通过高温固相反应制备了FeV2S4，这是FeV2S4首次作为钠离子电池负极材料进行研究。Pengchao Li等人通过静电纺丝的方式制备了FeV2S4@GO@CNF，获得了较为可观的倍率性能。这些研究为人们提供了新的研究角度，使双金属硫化物材料在钠离子电池中应用成为可能，但是这些研究表明这些材料依然存在制备过程复杂，制备周期较长，并且在电池循环过程中材料易发生体积膨胀、导电性欠佳、无法满足大电流密度下循环的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有负极材料无法满足钠离子电池高比容量，长循环寿命的技术问题，本专利技术提供一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法，包括以下步骤：1)将偏钒酸铵和无水三氯化铁分别溶解到去离子水中搅拌均匀，20℃～35℃下将两种溶液混合后转移至高压反应釜中，180℃～200℃加热2～4h，分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后得FeVO4前驱体；2)将盐酸多巴胺加入Tris溶液中搅拌均匀，加入步骤1)所得FeVO4前驱体，搅拌均匀后离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，干燥后得盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体；3)将步骤2)所得盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体与硫粉混合，在氩氢混合气氛中煅烧后即得。
[0005]具体地，步骤1)中，偏钒酸铵和无水三氯化铁的摩尔比为1:(1～1.1)。步骤2)中，Tris溶液的浓度为0.03～0.07mol/L，盐酸多巴胺与Tris溶液得用量为(1～2g):1L；盐酸多巴胺和FeVO4前驱体的重量比为(0.5～1):1。步骤3)中，盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体与硫粉的重量比为1:(3～6)；氩氢混合气氛的体积比为氢气5％、氩气95％，煅烧升温速率为5～
15℃/min，煅烧温度为750℃～950℃，煅烧时间为2～4h。
[0006]本专利技术制备的氮掺杂碳包覆FeV2S4具有双金属阳离子，外层具有氮掺杂碳层包覆，形貌为棒状结构，长度在0.01～3μm之间，可用来改善钠离子电池在循环过程中负极材料体积膨胀、导电性不良等缺点导致电化学性能不佳的问题的方法。本专利技术提供一种采用氮掺杂碳包覆FeV2S4制备钠离子电池的制备方法，包括以下操作：将本专利技术制备的氮掺杂碳包覆FeV2S4与羧甲基纤维素钠、乙炔黑混合后加入去离子水研磨均匀，涂覆到铜箔上，真空干燥，制得厚度为0.01～0.1mm的铜箔板材，使用打孔器制备出铜箔极片，将铜箔极片作为负极，以1mol/L的NaPF6/二乙二醇二甲醚为电解液组装成钠离子电池。
[0007]本专利技术所得氮掺杂碳包覆FeV2S4作为钠电子电池负极材料应用具有高倍率、高储能和长寿命的显著特点，表现出的优异性能得益于该材料中的Fe和V两种金属阳离子，双金属阳离子的协同作用能够有效增加钠离子储存位点，促进了钠离子和电子的运输，从而获得了优异的储钠性能。FeV2S4中存在大量的缺陷，进一步改善了钠离子和电子的扩散及传输。同时，充放电过程中逐步发生的氧化还原反应，可以有效缓解材料在反应过程中的应变和张力，不易结构坍塌，维持结构稳定。此外，氮掺杂碳包覆FeV2S4粒径较小比表面积大，而且该材料外层包覆的氮掺杂碳层在提高电极材料的电导率的同时还抑制了活性材料在充放电循环过程中的体积变化，进一步维持稳定电极结构，延长了电池循环寿命。因此，作为钠电池电极材料相比于相似形貌结构的Fe7S8和V3S4具有更高的比容量，以及更好的循环稳定性。
[0008]本专利技术制备的氮掺杂碳包覆FeV2S4复合材料制备方法简单，采用水热合成前驱体后与硫粉掺杂煅烧的方法，通过调节合适的反应温度和反应时间，制备出高倍率、高储能和长寿命的电池负极材料，使用硫粉作硫源，成本价格低，并且煅烧过程操作简单，反应条件容易控制，这更加有利于降低生产成本和大规模应用。氮掺杂碳包覆FeV2S4具有较好的循环稳定性和安全性，钠离子半电池在5A/g的大电流密度下经过400圈的循环仍具有482mAh/g的放电比容量，且具有良好的倍率性能。
附图说明
[0009]图1a为实施例1和2所得FeV2S4@NC
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1和FeV2S4@NC
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2的XRD图谱；图1b为对比例1和2所得Fe7S8和V3S4的XRD图谱。
[0010]图2为实施例1和2制得的FeV2S4@NC
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1(a)和FeV2S4@NC
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2(b)的TEM图。
[0011]图3为使用实施例1所得FeV2S4@NC
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1与金属钠组装的半电池的CV曲线。
[0012]图4为使用实施例1所得FeV2S4@NC
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1与金属钠组装的半电池的充放电曲线。
[0013]图5为使用实施例1和2所得FeV2S4@NC
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1和FeV2S4@NC
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2组装的半电池在2A/g的电流密度下循环400圈的循环性能图。
[0014]图6为使用实施例1和2所得FeV2S4@NC
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1和FeV2S4@NC
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2和与金属钠组装的半电池在5A/g的电流密度下循环400圈的循环性能图。
[0015]图7为使用实施例1和2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆FeV2S4的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将偏钒酸铵和无水三氯化铁分别溶解到去离子水中搅拌均匀，20℃～35℃下将两种溶液混合后转移至高压反应釜中，180℃～200℃加热2～4h，分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥干燥后得FeVO4前驱体；2)将盐酸多巴胺加入Tris溶液中搅拌均匀，加入步骤1)所得FeVO4前驱体，搅拌均匀后离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，干燥后得盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体；3)将步骤2)所得盐酸多巴胺包覆的FeVO4前驱体与硫粉混合，在氩氢混合气氛中煅烧后即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述偏钒酸铵和无水三氯化铁的摩尔比为1:(1～1.1)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述Tris溶液的浓度为0.03～0.07mol/L，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周艳丽，李启明，姜付义，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：