【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池材料，尤其涉及一种碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料、制备方法和应用。
技术介绍
1、随着信息化社会的高速推进以及文明科学化发展，能源格局正发生着重要的变革。众所周知，化石能源的大量消耗会带来众多的环境问题，诸如城市空气的恶化以及全球气候变暖，其后果令人担忧。在此背景下，以风能、水能、太阳能为代表的绿色能源成为我们摆脱能源危机的重要突破口，由此，储能作为智能电网中不可或缺的环节带来了巨大的市场需求。
2、锂离子电池是目前电池行业技术发展最成熟，产业化规模最大的电池类别。二硫化亚铁(fes2)是一种新型锂离子电池材料，作为一类高比容量、低成本、环境友好的电极材料，已有广泛的研究。它具有892mah/g的高比容量，并且合成简单，原料来源广泛。但是纯的二硫化亚铁电极材料存在首效低、倍率性能差、循环性能差等缺点，限制了其在储能电池中的实际应用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料、制备方法和应用。通过对传统的二硫化亚铁进行改性，来改善首周效率，提升循环性能和倍率性能，同时获得的材料还具有更好的强度。
2、为此，第一方面，本专利技术实施例提供了一种碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
3、步骤1，将氧化石墨烯(go)粉末加入n,n-二甲基甲酰胺(dmf)与乙二醇(eg)的混合溶液中，经超声分散后制得go-dmf/eg溶液，将硫化钠粉末加入乙二醇(eg)中，经超声分散后
4、步骤2，称取作为铁源的铁盐或亚铁盐的粉末加入到制备的go-dmf/eg溶液中，超声分散均匀,加入十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，再在高速搅拌中加入配置好的硫化钠-eg溶液，然后继续高速搅拌溶液；
5、步骤3，将高速搅拌均匀的溶液转入聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中加热反应，收集加热反应后得到的样品，分别用乙醇和水离心清洗，真空干燥后制得还原氧化石墨烯(rgo)支撑的二硫化亚铁(fes2)纳米复合材料(fes2/rgo)；
6、步骤4，对所述纳米复合材料进行气相碳包覆处理，得到碳包覆的复合材料；
7、步骤5，将所述碳包覆的复合材料研磨过筛，与含硼的有机高分子溶液液相混合均匀后,抽滤烘干，然后进行高温烧结，最后制得碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料。
8、优选的，步骤1的所述混合溶液中，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)与乙二醇(eg)的质量比为1：(0.1～10)，氧化石墨烯(go)与混合溶液的质量比为1：(0.5～100)；超声分散的频率为20～100khz，分散时间为1～12小时；
9、所述硫化钠粉末与乙二醇(eg)的质量比为1:(0.5～100)，超声分散所用的频率为20～100khz，分散时间为1～12小时。
10、优选的，步骤2的所述铁盐包括：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁中的一种；所述亚铁盐包括：硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁及它们的水合物中的一种；
11、超声分散所用的频率为20～100khz，分散时间为1～12小时；所述高速搅拌的搅拌转速为1000～10000转/每分钟。
12、优选的，步骤3的所述加热的温度为50～250℃，加热的时间为1～12小时；
13、所述真空干燥的真空度为-90kpa，干燥温度为50～100℃，干燥时间为1～24小时。
14、优选的，步骤4的所述气相碳包覆处理具体包括：
15、按所需质量比向所述反应器内通入气态的碳源，在600-1100℃下碳化，以对所述纳米复合材料进行碳包覆；所述气态的碳源为甲苯、甲烷和乙炔中的一种或多种混合，气流速为2-10l/min。
16、优选的，步骤5中，所述含硼的有机高分子溶液中的溶质为含硼的酚醛树脂、含硼的聚乙烯、含硼的聚丙烯中的一种或几种，真空干燥的真空度为-90kpa，干燥温度为50-100℃，高温烧结的温度为500-1000℃，时间为12-24小时。
17、第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的制备方法制备的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料。
18、优选的，所述碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料具有层次分明的多层结构，内核基体为石墨烯，内核为附着在石墨烯上的纳米级二硫化亚铁，中间层为碳包覆层，最外层为含硼的类石墨的导电保护层；所述导电保护层与石墨烯共同形成导电网络。
19、第三方面，本专利技术实施例提供了一种电池负极，包括上述第二方面所述的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料。
20、第四方面，本专利技术实施例提供了一种二次电池，所述二次电池包括锂离子电池，所述二次电池包括上述第三方面所述的电池负极。
21、本专利技术实施例提供的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料的制备方法，是针对二硫化亚铁的溶度积常数较小，常用的制备方法生成的纳米晶颗粒难以经历溶解-重结晶过程形成一些规整形貌而呈现出不规则形状，另外由于颗粒的纳米化和高表面能，一些纳米颗粒容易团聚成类球形的二次颗粒的问题，通过对传统的二硫化亚铁以制备方法和复合材料进行改性。在制备过程中fes2颗粒随机分布在rgo片层中，形成一种半包芯结构，这种结构的形成原因是溶剂热反应过下ctab表面活性剂与石墨烯间的作用力大于ctab与二硫化亚铁粒间作用力所致。这种作用力的差别一方面使二硫化亚铁颗粒依附在rgo表面上，阻止了rgo片的重新堆叠，进而形成更大片相互连接的rgo片层网络，提高了材料的导电性。另一方面，这种差异化的作用力也对二硫化亚铁颗粒形成了一定程度包覆，防止颗粒进一步长大。此外，这种半包芯结构的rgo外层不但能缓解材料在充放电过程中产生的体积变化，还能对一些散落的fes2颗粒提供支撑面，稳定整体电极材料结构，保持电池的良好电化学性能。
22、本专利技术提供碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料的制备方法具有制备设备简单、生产成本低廉、重复性好等优点。所得复合材料具有层次分明的多层结构，内核基体为石墨烯，内核是附着在石墨烯上的纳米级二硫化亚铁，纳米级的二硫化亚铁能改善材料的循环性能，石墨烯能提高二硫化亚铁的导电性，提升倍率性能。中间层为碳包覆层，能填充内核的空隙，提高材料结构强度，提升材料导电性，最外层为含硼的类石墨结构的导电保护层，使材料表面变光滑，降低材料比表面积，减少材料的容量损失，该保护层也能与石墨烯形成导电网络，同时减缓碳包覆层在循环过程中脱落破裂，从而提高循环性能。
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1.一种碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1的所述混合溶液中，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与乙二醇(EG)的质量比为1：(0.1～10)，氧化石墨烯(GO)与混合溶液的质量比为1：(0.5～100)；超声分散的频率为20～100KHz，分散时间为1～12小时；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2的所述铁盐包括：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁中的一种；所述亚铁盐包括：硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁及它们的水合物中的一种；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3的所述加热的温度为50～250℃，加热的时间为1～12小时；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4的所述气相碳包覆处理具体包括：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述含硼的有机高分子溶液中的溶质为含硼的酚醛树脂、含硼的聚乙烯、含硼的聚丙烯中的一种或几种，真空干燥的真空度为-90KPa，干燥温度为50-100℃，高
7.一种上述权利要求1至6任一所述的制备方法制备的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料。
8.根据上述权利要求7所述的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料，其特征在于，所述碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料具有层次分明的多层结构，内核基体为石墨烯，内核为附着在石墨烯上的纳米级二硫化亚铁，中间层为碳包覆层，最外层为含硼的类石墨的导电保护层；所述导电保护层与石墨烯共同形成导电网络。
9.一种电池负极，其特征在于，所述电池负极包括上述权利要求7所述的碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料。
10.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括锂离子电池，所述二次电池包括上述权利要求8所述的电池负极。
...【技术特征摘要】
1.一种碳支撑多层结构的二硫化亚铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1的所述混合溶液中，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)与乙二醇(eg)的质量比为1：(0.1～10)，氧化石墨烯(go)与混合溶液的质量比为1：(0.5～100)；超声分散的频率为20～100khz，分散时间为1～12小时；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2的所述铁盐包括：硫酸铁、氯化铁、硝酸铁中的一种；所述亚铁盐包括：硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁及它们的水合物中的一种；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3的所述加热的温度为50～250℃，加热的时间为1～12小时；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4的所述气相碳包覆处理具体包括：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5中，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：段龙威，吉祥，刘柏男，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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