[發明專利]鋰離子電池負極材料FeS/CPAN的制備方法

有效

• 申請號: 201610226558.0
• 申請日: 2016-04-13
• 公開（公告）號: CN105680024B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 郭勝平;李加闖;薛懷國
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/60;H01M10/0525
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明屬于能源存儲領域，特別是一種鋰離子電池負極材料FeS/CPAN（碳化聚丙烯腈）的制備方法。

背景技術

隨著鋰離子電池的快速發展，人們對于高能量密度鋰離子電池的需求也越來越急迫。對于鋰離子電池而言，決定其容量大小的主要是正極材料和負極材料。目前，已經市場化的負極材料為石墨。雖然石墨電極有著穩定的循環性能，但其容量太低（理論容量僅為372 mAh/g），已經不能滿足人們對大容量鋰離子電池的需求。因此，尋找一種廉價、高能量密度、循環性能良好的負極材料已經成為研究鋰離子電池領域的熱點。Fe和S在自然界廣泛的存在著，價格低廉，而且對環境友好，是理想的鋰離子電池負極材料。此外，FeS有著較高的容量(609 mAh/g)，良好的倍率性能，能夠滿足人們對高能量密度鋰離子電池的需求。然而，FeS的循環性能比較差，經過幾次循環后，放電容量衰減到300 mAh/g左右。為了改善FeS的循環穩定性，研究者做了大量的探索。比如，控制FeS的尺寸在納米級，采用石墨烯與FeS復合等。以上的改性方法都使得FeS的循環性能有了明顯的提高。

在FeS電極材料的制備方法上，文獻常采用水熱方法來制備，且常用FeS前驅體和不同形式的碳材料或碳材料的前驅體來復合。這些方法雖然能夠明顯改善FeS的循環性能，但步驟多，操作復雜且FeS與C的結合并不緊密。

發明內容

本發明的目的在于提出一種方法簡單、快捷、設備要求接近于工業化應用需求的鋰離子電池負極材料FeS/CPAN的制備方法。

本發明包括以下步驟：

1）將Fe、S和PAN（聚丙烯腈）混合后研磨均勻，壓片，取得片狀半制品；

2）將片狀半制品真空密封于石英管中，再將石英管置于馬弗爐中加熱反應，反應結束后降到室溫，取得鋰離子電池負極材料FeS/CPAN。

本發明所述原料混合后需研磨均勻，以確保三種反應原料充分混合均勻。研磨均勻后將樣品壓成片，使得Fe、S與PAN的接觸更致密，促進固相反應更徹底。本發明采用一鍋原位固相法制備出鋰離子電池負極材料FeS/CPAN，其中FeS顆粒較均勻分散在CPAN基體表面的孔中，無團聚現象。本發明方法生成的FeS能夠分散在碳基體上，抑制了充放電過程中FeS的體積膨脹，從而提高FeS的循環性能。本發明方法簡單，快捷，在設備的要求上更接近于工業化應用的需求。

為了充分利用原料，形成FeS化合物，本發明所述Fe和S的混合摩爾比為1∶1。

所述Fe和S的總質量與PAN的混合質量比為3∶2。此配比有利于生成的FeS均勻的分布在PAN碳化后的碳基體上。

將石英管置于馬弗爐中，以40～60℃/小時的升溫速率加熱到600℃后反應12小時，再用24小時降到室溫。考慮到原料升華硫在高溫下易升華引發炸管現象，導致反應失敗或造成硫元素的大量損失。而反應溫度確定為600℃是因為PAN在該溫度范圍內發生碳化，得到的含N碳環會起到限制硫化鋰產物的作用，進一步提高循環穩定性和電導性。

采用氫氧焰和真空系統將片狀半制品真空密封于石英管中，是為了確保反應在無水無氧的高真空環境下進行，相對惰性氣氛保護更加有效，更能避免S在高溫下的逸出，從而得到目標產物。

附圖說明

圖1為本發明實施例產物FeS/CPAN和標準FeS的XRD對比圖。

圖2為采用本發明方法制備的FeS/CPAN的SEM圖。

圖3為本發明方法制備的FeS/CPAN中的C、N、Fe和S的元素映射圖。

圖4和圖5分別為FeS/CPAN用作鋰離子電池負極材料的充放電測試數據。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行詳細地說明。

一、制備工藝：

稱取總質量為500 mg的Fe、S，其中Fe和S的摩爾比為1∶1。

稱取240 mg PAN，充分研磨至較細粉末。

將稱量好的Fe和S加入研磨好的PAN粉末中，研磨至混合均勻后，使用壓片機將反應原料壓片。隨后采用氫氧焰和真空系統進行真空封管處理。

將封好管的樣品放入馬弗爐中，設置好熱處理程序并運行：以40～60℃/小時的升溫速率，將馬弗爐內溫度從室溫加熱到600℃，在600℃條件下反應12小時后，再用24小時降到室溫。打開石英管取出產物，研磨好備用。

二、產物特性：