[發(fā)明專利]一種多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107634193B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 麥立強;韋秀娟;談鑫;安琴友
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發(fā)明涉及一種多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料及其制備方法，該材料可作為長壽命、高倍率鋰離子電池負極活性材料，其為一種由原位生成的硫化亞鐵納米晶粒和氮摻雜碳復合而成的納米線，具有多孔結構，長度為1?10微米，寬度為100?500納米，厚度為8?15納米。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明僅僅采用了簡單的水熱和煅燒的方法，制得的材料產(chǎn)率高、分散性好，為探索大規(guī)模合成性能優(yōu)異的高倍率特性納米材料做出了努力。其工藝簡單，符合綠色化學要求，對設備要求低，有極大地應用潛力。本發(fā)明縮短了鋰離子和電子擴散距離，緩沖循環(huán)過程中的體積變化，進而有效地提高了材料電化學性能。

技術領域

本發(fā)明屬于納米材料與電化學技術領域，具體涉及一種多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料及其制備方法，該材料可作為長壽命、高倍率鋰離子電池負極活性材料。

背景技術

鋰離子電池因能量密度高、記憶效應小、自放電率低等優(yōu)勢已被廣泛應用于便攜式電子設備。然而，為了滿足目前大規(guī)模能源的存儲和運輸?shù)男枨螅囯x子電池的使用壽命仍需進一步提高。電極材料是鋰離子電池的重要組成部分，對電池性能起著決定性作用。目前商業(yè)化的負極材料主要是石墨，但其理論容量(372mAh g^-1)和體積比容量并不高，限制了其在電動汽車等動力設備上的應用。因此，研究基于新型納米電極材料的大容量、高倍率、長壽命、低成本鋰離子電池是當前低碳經(jīng)濟時代研究的前沿和熱點之一。在負極材料中，過渡金屬硫族化合物因其具有更高能量密度、低成本等優(yōu)點而被研究者們廣泛關注。然而制約其廣泛應用的關鍵問題是：結構的不穩(wěn)定性所導致的高倍率和長壽命方面的限制。

近些年來很多研究都是從材料結構、組成方面來解決這些問題，例如減小其尺寸到納米級以縮短離子擴散距離從而提高其電化學性能以及電池壽命。多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料可以大大提高其自身結構穩(wěn)定性和電化學性能，這種納米結構可以有效的縮短離子擴散路徑，緩沖循環(huán)過程中的體積變化，有效改善了電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性；同時氮摻雜碳復合可以大大提高電極的導電率，加強結構的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)了硫化亞鐵作為鋰離子電池負極材料在高倍率、長壽命電極材料領域的應用。

此外，作為反應原料的鐵元素和硫元素的含量豐富，價格低廉，生產(chǎn)成本低，且該材料的制備方法簡單易行，操作周期短，使得該方法具有極大的研究價值和應用潛力。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術而提出的一種多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料及其制備方法，其工藝簡單，符合綠色化學要求，其具有優(yōu)良的電化學性能。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料，其為一種由原位生成的硫化亞鐵納米晶粒和氮摻雜碳復合而成的納米線，具有多孔結構，長度為1-10微米，寬度為100-500納米，厚度為8-15納米。

所述的多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將七水合硫酸亞鐵溶解在去離子水中，攪拌至完全溶解；

2)在步驟1)所得溶液中，加入硫代乙酰胺，攪拌至完全溶解；

3)在步驟2)所得溶液中，加入乙二醇，攪拌均勻；

4)在步驟3)所得溶液中，加入乙二胺，攪拌均勻；

5)將步驟4)所得溶液轉入反應容器中水熱反應，取出，自然冷卻至室溫；

6)將步驟5)所得產(chǎn)物離心分離，洗滌，烘干，即得到硫化亞鐵納米線材料前驅體；

7)將步驟6)中所得前驅體進行煅燒，即得到多孔硫化亞鐵納米線與氮摻雜碳復合材料。

按上述方案，步驟1)所述的七水合硫酸亞鐵為1～2mmol；去離子水為20～30ml；步驟2)所述的硫代乙酰胺為2～4mmol；步驟3)所述乙二醇為2～8ml；步驟4)所述乙二胺為5～10ml，攪拌時間為30～50分鐘。