[發(fā)明專利]硫化鐵-碳復(fù)合材料及其制備方法、鋰離子電池負(fù)極材料、鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910924901.2
• 申請(qǐng)日: 2019-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN110600710B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉棟;林宣伲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發(fā)明公開了一種硫化鐵?碳復(fù)合材料及其制備方法、鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池。該硫化鐵?碳復(fù)合材料包括多孔碳框架材料，以及原位生長于所述多孔碳框架材料的孔中的硫化鐵納米顆粒；其中，所述硫化鐵納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35～46wt％，所述多孔碳框架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54～65wt％。本發(fā)明還提供了該硫化鐵?碳復(fù)合材料的制備方法、包含該硫化鐵?碳復(fù)合材料的鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池。本發(fā)明采用一步碳化的方法，以對(duì)甲苯磺酸鐵六水合物為鐵源，通過一步高溫?zé)峤獾姆绞叫纬闪蚧F?碳復(fù)合材料；該方法設(shè)備簡單、過程容易控制，可滿足高倍率容量硫化鐵?碳復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納米技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種硫化鐵-碳復(fù)合材料及其制備方法、鋰離子電池負(fù)極材料、鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰電池，因其較高的工作電壓和比能量、快速充放電和較高的安全性能等，被作為一種市場(chǎng)前景廣闊和發(fā)展迅速的常用儲(chǔ)能設(shè)備，在日常生產(chǎn)生活中有著十分廣泛的應(yīng)用。如何提高鋰電池的能量密度，是一個(gè)亟待解決的重要問題。

高容量電極材料的應(yīng)用是提高電池能量密度的重要手段。對(duì)負(fù)極材料來說，商業(yè)化石墨負(fù)極的能量密度為372mAh g^-1。因此，用高容量負(fù)極替代石墨負(fù)極的研究工作受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的重視。一系列高容量的電極材料應(yīng)用到鋰離子電池中，如硅，錫，金屬氧化物和硫化物等。在所有的高容量負(fù)極材料中，金屬硫化物因其較高的比容量和低的成本得到大量研究。與硅和金屬氧化物負(fù)極相比，金屬硫化物在充放電過程中具有相對(duì)較低的體積膨脹或收縮，因此具有更好的倍率性能和循環(huán)性能。

在所有報(bào)道的金屬硫化物中，硫化鐵由于其低成本、資源豐富和高理論容量而引起了越來越多的關(guān)注。然而，硫化鐵負(fù)極的發(fā)展受制于其低容量釋放、低循環(huán)穩(wěn)定性和低倍率性能。這可能是由硫的溶解、差的導(dǎo)電性以及體積膨脹而引起。根據(jù)之前的報(bào)道，硫化鐵/碳雜化策略在解決硫化鐵負(fù)極的缺點(diǎn)方面很有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘脊羌懿粌H提高了電子輸運(yùn)速率，而且可以緩沖了硫化鐵的體積膨脹或收縮。此外，包裹在硫化物上的碳層可以減少多硫化物溶解到電解液中。

目前，文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了幾種方法用于制備硫化鐵/碳雜化負(fù)極，包括溶液法、電紡絲技術(shù)、模板法和氣相法等。雖然硫化鐵/碳雜化負(fù)極的研究取得了重大進(jìn)展，然而該負(fù)極材料的大規(guī)模生產(chǎn)仍然受制于其復(fù)雜的制備過程和高的成本。例如，這些方法必須制備復(fù)雜的前軀體或使用昂貴的石墨烯。

因此，本發(fā)明提供了一種硫化鐵-碳復(fù)合材料及其制備方法、鋰離子電池負(fù)極材料、鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種硫化鐵-碳復(fù)合材料及其制備方法、包含該硫化鐵-碳復(fù)合材料的鋰離子電池負(fù)極材料、鋰離子電池負(fù)極片和鋰離子電池，解決了硫化鐵- 碳復(fù)合材料無法大規(guī)模生產(chǎn)，制得的負(fù)極材料容量衰退快，循環(huán)性能差等問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種硫化鐵-碳復(fù)合材料，包括多孔碳框架材料，以及原位生長于所述多孔碳框架材料的孔中的硫化鐵納米顆粒；其中，所述硫化鐵納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35～46wt％，所述多孔碳框架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54～65wt％。該多孔碳框架提供了電子快速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，并且縮短了離子擴(kuò)散的路徑；FeS納米顆粒被被限制在多孔碳骨架中，不僅可以緩沖FeS顆粒充放電過程中體積膨脹或收縮引起的結(jié)構(gòu)變化，還可以減少多硫化物在電解液中的溶解。

優(yōu)選地，所述多孔碳框架材料的孔徑為2～300nm，孔容為0.36～0.40cm³ g^-1.，孔的比表面積為383～416m² g^-1；進(jìn)一步地，在本發(fā)明某些實(shí)施例中，所述多孔碳框架材料的孔的比表面積為383～408m² g^-1、408～416m² g^-1等。