本發明專利技術涉及鈉離子電池負極材料技術領域，具體公開了一種納米微球狀二硫化鐵材料的制備方法及其在鈉離子電池中的應用。通過簡單的溶劑熱法，利用鐵鹽與醇的反應，并通過一步氣相硫化，成功制出納米微球狀二硫化鐵材料。該材料制備的鈉離子電池負極材料，成本低廉，操作簡單，結構新穎，綠色無毒。此材料應用于鈉離子電池負極時，具有優良的循環性能和倍率性能，是一種有潛力的鈉離子電池負極材料。是一種有潛力的鈉離子電池負極材料。是一種有潛力的鈉離子電池負極材料。
【技術實現步驟摘要】
一種納米微球狀二硫化鐵材料及其制備方法和應用
[0001]本專利技術涉及鈉離子電池負極材料
，具體涉及一種納米微球狀二硫化鐵材料及其制備方法和應用。
技術介紹
[0002]當前社會，化石能源大量消耗，能源危機和環境問題接踵而至。隨著科學技術的進步和可持續發展理念的深入人心，可再生能源的出現逐漸改變了全球能源的消費結構。全球鈉資源的儲量豐富，成本也更低，且鈉離子電池的工作原理和鋰離子電池基本相似，鈉離子電池還可以減輕可充電電池的安全隱患，因此鈉離子電池被視為理想的鋰離子電池替代儲能技術。進一步研究與提高負極材料的穩定性以及電化學性能是推動鈉離子電池實際應用的關鍵一環。
[0003]二硫化鐵(FeS2)在自然界中儲量豐富、分布廣泛、環保無毒，且理論比容量高達894mA h g
?1(傳統的石墨負極材料理論比容量僅為372mA h g
?1)，是較理想的鈉離子電池負極材料。但FeS2負極材料在鈉電池應用過程中仍存在關鍵問題需要解決：1.塊體FeS2暴露的比表面積有限，與電解液之間接觸不夠充分，鈉離子傳輸距離大；2.FeS2在嵌鈉的過程中會產生的體積膨脹導致電極粉化從而影響循環以及倍率性能。這些問題不僅影響了FeS2電極材料的循環壽命，也降低了其導電性而導致較差的倍率性，使其不足以滿足實際應用。
[0004]目前，通常采用微納結構設計手段改善上述問題。查閱文獻得知，已有研究者通過將FeS2材料設計成納米花結構和蛋黃殼結構來減緩循環過程中材料的體積膨脹問題，但是這些材料仍需后續復合碳材料來增加其穩定性。本專利技術通過設計微納尺寸以及微米級空心結構的FeS2材料，不僅能夠保證在電化學反應過程中與電解液充分接觸，產生充足的反應活性位點，還縮短了鈉離子的傳輸路徑，從而加速電化學反應動力學，并且能夠在不需要復合碳材料的情況下，依靠材料自身的微納尺寸及微米球空心結構，緩沖FeS2在脫嵌鈉過程中由于體積變化而產生的應力，提高電極的循環穩定性。
技術實現思路
[0005]針對
技術介紹
中的問題，本專利技術的目的在于提供了一種納米微球狀二硫化鐵材料及其制備方法和應用。
[0006]本專利技術通過簡單的溶劑熱反應以及氣相硫化獲得FeS2微納球，該材料的制備過程中原料及產生的溶液易處理且無污染，制備過程簡單，成本低廉。當溶劑為乙醇和甲醇時，在溶劑熱條件為70～90℃，反應5～6小時的情況下，容易形成直徑約為50nm的納米球；隨著溶劑熱反應溫度及反應時間的增加，在溫度范圍為90～200℃和反應時間為6～48小時的條件下，約容易形成微球狀空心球。當溶劑為異丙醇時，在溶劑熱條件為70～120℃，反應5～12小時的情況下，仍然只能形成直徑約為50nm的納米球；當溫度范圍升至120～200℃，反應時間延長至12～48小時的條件下，便越容易形成微球狀空心球。
[0007]材料自聚合空心程度也隨著醇溶劑極性增強而增強。制備所獲得尺寸約為50～
2000nm的FeS2材料能夠使得活性物質與電解液的接觸面積有效增加，促進離子與電子的遷移。納米化和微米球空心結構能夠緩沖FeS2在脫嵌鈉過程中由于體積變化而產生的應力，避免電極粉化。以上策略的組合極大促進了FeS2的電極反應動力學過程，使得該電極材料用于鈉離子電池負極材料時，具有較高的容量和較長的循環壽命。
[0008]一種納米微球狀二硫化鐵材料的制備方法，采用的技術方案如下：
[0009](1)將鐵鹽與無水醇類溶劑按照一定比例，混合攪拌得到黃色透明溶液A；
[0010](2)再將所得透明溶液A轉移至反應釜中進行溶劑熱反應；
[0011](3)溶劑熱反應之后進行離心洗滌和干燥，得到中間產物紅棕色粉末B；
[0012](4)將步驟(3)所得紅棕色粉末B與硫源按照一定比例進行氣相硫化，得到黑色粉末，即納米微球狀二硫化鐵負極材料。
[0013]以下作為本專利技術的優選技術方案：
[0014]步驟(1)中將一定量的鐵鹽加入無水醇溶劑中，在室溫25℃下混合攪拌得到黃色透明溶液A；黃色透明溶液A中鐵鹽的醇溶液的濃度為0.0006～1mol/L(優選為0.002～0.2mol/L)；所述的無水醇溶劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇中的一種；所述的鐵鹽為硝酸鐵、氯化鐵中的一種；攪拌的時間混合攪拌10～60分鐘，優選為10～30分鐘，得到黃色透明溶液；
[0015]步驟(2)中，溶劑熱反應溫度優選為70～200℃；溶劑熱反應時間為5～48小時；
[0016]步驟(3)中，離心洗滌的離心速率3000～6000r/min，洗滌溶劑為醇溶劑，優選為甲醇、乙醇、異丙醇等一元醇類中任意一種；離心后干燥溫度和時間分別為60～80℃和8～24小時。中間產物紅棕色粉末B其特征在于，呈現出均勻的球狀結構(直徑約50～2000nm)；
[0017]步驟(4)中，中間產物紅棕色粉末B與硫源的質量的比例在1:2與1:6之間；所述的硫源為硫粉、硫代乙酰胺、硫脲中的一種；惰性氣體為氮氣或氬氣中的一種，熱處理溫度為350～600℃，保溫時間1～3小時。納米微球狀二硫化鐵的直徑約為50～2000nm，直徑約為2000nm的自組裝FeS2微米球具有一定程度的空心結構。
[0018]納米微球狀二硫化鐵材料作為鈉離子電池負極材料的應用。將得到的納米微球狀二硫化鐵材料與導電劑Super P、粘結劑聚偏氟乙烯(PVDF)按照7：2：1的質量比例和適量的溶劑N
?
甲基吡咯烷酮(NMP)制成漿料涂布在銅集流體上制備出負極片，與處理之后的鈉片，玻璃纖維隔膜和以1mol L
?1NaPF6為溶質，二甘醇二甲醚為溶劑的電解液組裝成扣式鈉離子半電池。將裝配好的鈉離子電池放置12小時后進行恒電流充放電測試，電壓窗口為0.01～3V。在25℃的恒溫環境下測試電池負極的比容量、倍率性能和循環性能。
[0019]與現有技術相比，本專利技術具有如下優點：
[0020](1)本專利技術采用溶劑熱法以及一步氣相硫化法，所需原料簡單、廉價且環保，制備方法簡單；
[0021](2)微調反應參數，可制備出FeS2納米顆粒(約50nm)材料或由FeS2納米顆粒(約50nm)自組裝形成的微米空心球(約2000nm)材料。作為鈉離子電池負極材料，納米結構或微米空心結構都具有大的比表面積，從而保證了活性物質與電解液的充分接觸，為電化學反應的發生提供了更多的活性位點，可以有效緩解充放電過程中活性材料出現的體積膨脹及粉化等問題，展現出優異的倍率性能以及循環穩定性，可以顯著的提高二硫化鐵的鈉離子快速儲存能力和可逆的法拉第電荷儲存能力。
[0022](3)FeS2微納球在不需要復合碳材料情況下就擁有穩定的循環性能，提升了電極和電池的體積能量密度，在鈉離子電池中有實際應用的價值。
附圖說明
[0023]圖1為實施例1所制備的中間產物紅棕色粉末B的掃描電子顯微鏡圖；
[0024]圖2為實施例1所制備的微球狀二硫化鐵的掃描電子顯微鏡圖；
[002本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種納米微球狀二硫化鐵材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將鐵鹽加入無水醇溶劑中，混合攪拌得到黃色透明溶液A；(2)將步驟(1)所得透明溶液A轉移至反應釜中進行溶劑熱反應；(3)溶劑熱反應之后進行離心洗滌和真空干燥，得到中間產物紅棕色粉末B；(4)將步驟(3)所得紅棕色粉末B與硫源一起進行氣相硫化，得到黑色粉末，即納米微球狀二硫化鐵材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的鐵鹽為硝酸鐵、氯化鐵中的一種；所述的無水醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇中任意一種。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的鐵鹽的無水醇溶液的濃度為0.0006～1mol/L。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，混合攪拌10～60分鐘。5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，溶劑熱反應的條件為：反應溫度...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊葉鋒，孫倩倩，姚珠君，蔡晨，
申請(專利權)人：浙江理工大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。