[發(fā)明專利]一種二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010037637.3
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111162261A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫志鵬;洪軍智;史曉艷;邵漣漪;汪世鴿;吳方丹;曹應義
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張燕玲

本發(fā)明屬于鈉離子電池負極材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料及其制備方法和應用。首先將氮摻雜多壁碳納米管溶解于乙二醇，并加入聚乙烯吡咯烷酮和氧化石墨烯溶液，超聲得到體系均勻的混合液A；另外將六水三氯化鐵與硫代乙酰胺溶解于去離子水中，攪拌均勻，再加入水合肼，繼續(xù)攪拌得到混合液B；然后將混合液A加入到混合液B中，轉(zhuǎn)移到水熱釜中反應；抽濾分離沉淀物，用去離子水和乙醇洗滌，干燥得到復合材料。具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氮摻雜多壁碳納米管和具有三維層狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯的加入進一步提高了材料表面導電性以及緩沖了二硫化鐵在充放電過程中的體積膨脹，顯著改善了材料的倍率性能和循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉離子電池負極材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料及其制備方法和應用。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)及交通業(yè)的迅速發(fā)展，對大規(guī)模儲能技術(shù)的需求也日益增長，鈉離子電池因其資源豐富、成本低等優(yōu)點而引起了人們極大的興趣。然而，鈉離子的半徑較大，使得鈉離子在正負極材料中的嵌入和脫出比較困難，不可避免地導致鈉離子電池的倍率性能和循環(huán)性能不佳。因此，尋找和改善適合鈉離子嵌入和脫出的材料顯得尤為重要。目前，發(fā)現(xiàn)的適合作為鈉離子負極材料的主要有：金屬氧化物(氧化錫和氧化鐵等)、金屬(錫和銻等)、硫化物(二硫化鉬、硫化鐵和硫化錫等)、非金屬單質(zhì)和碳等。其中硫化物中的二硫化鐵具有儲量豐富、價格便宜、無毒、物理化學性能穩(wěn)定及理論容量高(894mAhg^-1)的優(yōu)點，在鈉離子電池領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。但是目前對于二硫化鐵作為鈉離子電池負極材料的研究并不多，主要是由于二硫化鐵在充放電過程中體積易膨脹、導電性差等問題，導致其作為鈉離子電池負極的循環(huán)穩(wěn)定性差。目前為提高二硫化鐵作為鈉離子電池負極的循環(huán)穩(wěn)定性主要采取的方法有：(1)優(yōu)化截止電壓，通過不發(fā)生轉(zhuǎn)化反應而避免產(chǎn)生體積膨脹；(2)減小二硫化鐵的顆粒尺寸，以縮短鈉離子的擴散距離；(3)摻雜其他金屬元素，提高材料的倍率性能。但是采用以上方法，提高二硫化鐵作為鈉離子電池負極的循環(huán)穩(wěn)定性的同時，并不能增強其導電性。另外，還有一種方法是將二硫化鐵與碳材料復合，提高材料的導電性以及緩沖充放電過程中的體積膨脹。目前制備二硫化鐵/碳復合材料的常用方法有兩種，一種是先將多孔碳包覆在鐵顆粒上，再在高溫條件下使硫蒸發(fā)經(jīng)過多孔碳與鐵反應以制備出碳包覆二硫化鐵復合材料，但該方法工藝復雜、反應條件要求高，不利于商業(yè)化生產(chǎn)；另一種是水熱法，但這種方法制備出的二硫化鐵/碳復合材料中的二硫化鐵球團聚在一起被碳材料包覆，不利于離子的充分浸潤和緩解二硫化鐵的體積膨脹。因此，需要尋找一種簡單高效的方法制備性能良好的鈉離子電池負極材料。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料；該復合材料中，二硫化鐵的粒徑分布均勻；具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氮摻雜多壁碳納米管和具有三維層狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯的加入進一步提高了材料表面導電性以及緩沖了二硫化鐵在充放電過程中的體積膨脹，顯著改善了材料的倍率性能和循環(huán)性能。

本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料的制備方法；該方法采用水熱法一步制備，制備過程中，反應條件易于控制，操作簡單，生產(chǎn)成本低廉，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的又一目的在于提供上述二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料的應用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料，該復合材料是以三維層狀的氧化石墨烯的表面作為氮摻雜多壁碳納米管和二硫化鐵球的附著位點，氮摻雜多壁碳納米管的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為二硫化鐵球的連通通道，其中二硫化鐵球的直徑小于3μm。

上述的二硫化鐵/氧化石墨烯/氮摻雜多壁碳納米管復合材料的制備方法，包括以下操作步驟：