一种钠离子电池负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种钠离子电池负极材料及其制备方法和应用，涉及钠离子电池技术领域。具体而言包括如下步骤：1）将铁源、沉淀剂和表面活性剂的混合溶液进行第一次保温处理并得到第一前驱体；2）将第一前驱体与碳源的混合溶液进行第二次保温处理并得到第二前驱体；3）将第二前驱体进行酸洗刻蚀处理并得到第三前驱体；4）将第三前驱体与还原硫粉混合，在真空条件下高温煅烧并得到钠离子电池负极材料。本发明专利技术中碳层结构为FeS2的体积膨胀提供了弹性缓冲，能够显著提升循环过程中电极结构的稳定性和钠离子穿梭特性；同时，高度石墨化的多孔碳具有优异的导电性能，实现了较强的电性能增强，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池
，具体而言，涉及一种钠离子电池负极材料、所述钠离子电池负极材料的制备方法和钠离子电池。

技术介绍

[0002]钠离子电池是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似；由于有限的锂资源以及较高的成本严重影响了锂离子电池在储能领域的进一步应用，因此，目前钠离子电池由于其成本低廉、高储备和环境友好性，已被认为是一种很有前途的替代品。相较于锂离子电池，钠离子电池至少具有如下的优势：（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉；（2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本和重量；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏；此外，钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。
[0003]目前的钠离子负极材料主要有碳质材料、有机化合物和过渡金属氧化物/硫化物/硒化物等。其中，过渡金属硫化物如FeS、FeS2、Co9S8、MoS2等因其高理论容量和低成本环保等优点而受到了广泛的关注；以本专利技术涉及的FeS2为例，如CN201811203277.9公开了一种硒掺杂的二硫化亚铁碳包覆复合材料，CN202210778000.9公开了一种磷掺杂FeS2@C的负极材料；但是，当不存在硫、磷等元素掺杂时，FeS2的电子导电率不高，并且FeS2在持续的放电过程中发生转换反应，引起体积膨胀变化，导致电化学循环稳定性降低，严重影响了FeS2负极材料的可逆放电容量和实际应用。有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一目的在于提供一种碳包覆FeS2纳米球的钠离子电池负极材料的制备方法，用于解决FeS2在持续放电过程中由于转换反应而导致的体积膨胀，以及FeS2电子导电率不高、电化学稳定性降低、负极可逆放电容量降低等电性能方面的负面效果。
[0005]本专利技术的第二目的在于提供一种所述的钠离子电池负极材料的制备方法制得的钠电负极材料；这种负极材料具有独特的核壳纳米结构，以有序的碳结构作为包覆壳层，以二硫化亚铁作为负极活性材料，有效提高了电性能，并避免了FeS2体积膨胀造成的电性能损失。
[0006]本专利技术的第三目的在于提供一种钠离子电池，包括有所述的钠离子电池负极材料。
[0007]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将铁源、沉淀剂和表面活性剂的混合溶液进行第一次保温处理，而后固液
分离并得到第一前驱体；步骤二、将所述第一前驱体与碳源的混合溶液进行第二次保温处理，而后固液分离并得到第二前驱体；步骤三、将所述第二前驱体进行酸洗刻蚀处理，并得到第三前驱体；步骤四、将所述第三前驱体与还原硫粉混合，并在真空条件下，于400℃~600℃下煅烧4h~6h，得到碳包覆FeS2纳米球的钠离子电池负极材料。
[0008]一种钠离子电池负极材料，采用如上所述的钠离子电池负极材料的制备方法制备得到。
[0009]一种钠离子电池，包括有所述的钠离子电池负极材料。进一步地，将所述钠离子电池负极材料、以及可选的其他负极活性材料或电极辅材制备得到钠离子电池负极，而后将电池负极与任意的电池正极、隔膜或电解液进行组装，并得到所述钠离子电池。本专利技术中不对上述涉及的电池正极、隔膜或电解液等材料进行限定。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术公开了一种钠离子电池负极材料的制备方法，通过采用Fe3O4@C模板基于全新的真空硫化方法制得了一种核壳状的碳包覆型FeS2@C纳米结构；其中，碳层结构为FeS2的体积膨胀提供了弹性缓冲，能够显著提升循环过程中电极结构的稳定性和钠离子穿梭特性；同时，高度石墨化的多孔碳具有优异的导电性能，由此实现了负极材料电子导电率增高、电化学稳定性增强、可逆放电容量增大等积极效果。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1提供了本专利技术实施例1与对比例的XRD对比曲线图（其中PDF#42
‑
1340表示FeS2的标准PDF卡片）；图2提供了本专利技术实施例1的SEM扫描图。
具体实施方式
[0013]下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0014]本专利技术通过如下具体的实施方式进行：一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将铁源、沉淀剂和表面活性剂的混合溶液进行第一次保温处理，而后固液分离并得到第一前驱体；步骤二、将所述第一前驱体与碳源的混合溶液进行第二次保温处理，而后固液分离并得到第二前驱体；步骤三、将所述第二前驱体进行酸洗刻蚀处理，
并得到第三前驱体；步骤四、将所述第三前驱体与还原硫粉混合，并在真空条件下，于400℃~600℃下煅烧4h~6h，得到碳包覆FeS2纳米球的钠离子电池负极材料。
[0015]对于本专利技术的方法步骤存在如下解释说明：在本专利技术的步骤一中通过将铁源、沉淀剂和表面活性剂混合反应，得到了均匀的球形结构的Fe3O4纳米颗粒。其中，沉淀剂一方面提供了碱性环境，实现铁源的沉淀，另一方面实现了静电稳定，防止颗粒团聚；同时表面活性剂也能够起到额外地防止颗粒团聚的效果。
[0016]在本专利技术的步骤二中将第一前驱体和碳源混合进行水热反应，得到低聚糖包覆Fe3O4结构的球体；在后续步骤四的煅烧中低聚糖会进一步转化为碳质壳。
[0017]在本专利技术的步骤三中通过酸洗刻蚀第二前驱体，实现部分的Fe3O4内核被溶解去除（Fe3O4+8HCl==2FeCl3+FeCl2+4H2O），以达到缓解后续真空硫化步骤的体积膨胀和最终材料充放电过程中的体积膨胀的效果。
[0018]在本专利技术的步骤四中主要涉及铁氧化物的硫化（Fe3O4+8S(g)==3FeS2+2SO2），通过在真空环境和特定的煅烧温度中进行硫化反应，第一方面有效地减少了硫的投加量，相较于常规硫化，所需硫无需特别过量，节约了原料成本；第二方面通过密闭的真空环境，可以实现第三前驱体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤一、将铁源、沉淀剂和表面活性剂的混合溶液进行第一次保温处理，而后固液分离并得到第一前驱体；步骤二、将所述第一前驱体与碳源的混合溶液进行第二次保温处理，而后固液分离并得到第二前驱体；步骤三、将所述第二前驱体进行酸洗刻蚀处理，并得到第三前驱体；步骤四、将所述第三前驱体与还原硫粉混合，并在真空条件下，于400℃~600℃下煅烧4h~6h，得到碳包覆FeS2纳米球的钠离子电池负极材料。2.根据权利要求1所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下特征（a）~（d）中的至少一种：（a）所述铁源包括三氯化铁、硝酸铁、硫酸铁或乙酸铁中的至少一种；（b）所述沉淀剂包括乙酸钠、乙酸钾、草酸钠、草酸钾、硫化钠或柠檬酸钠中的至少一种；（c）所述表面活性剂包括聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、苯磺酸钠或α
‑
烯基磺酸钠中的至少一种；（d）所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、淀粉或纤维素中的至少一种。3.根据权利要求1所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤一的所述混合溶液中，以铁原子的物质的量计，所述铁源的浓度为0.15mol/L~0.3mol/L，所述沉淀剂的浓度为1.0mol/L~2.0mol/L，所述表面活性剂的浓度为10g/L~50g/L；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文彬，刘俊昌，张庭，陈宇盟，杨应昌，石维，罗兴怀，
申请(专利权)人：深圳为方能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：