[發(fā)明專利]一種碳基二維復(fù)合電極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011623996.3
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112830474B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉治明;王曉君;何燕;李海昌;孫洪冉;徐常蒙
• 申請（專利權(quán)）人: 青島科技大學(xué)
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;C01G49/12;H01M4/58;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 北京開陽星知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11710
• 代理人: 姚金金

本發(fā)明屬于電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳基二維復(fù)合電極材料及其制備方法。包括：向鐵鹽溶液中分別加入十二烷基磺酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、硫脲、硫代乙酰胺后經(jīng)水熱處理后得到二維復(fù)合材料前驅(qū)體；對二維復(fù)合材料前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，得到硫化鐵和碳的二維復(fù)合納米材料。本發(fā)明一體化的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建策略不僅簡化了整個電極材料的合成過程，同時顯著地增加了硫化鐵和二維碳納米片之間接觸的牢固性，極大減小了界面阻抗，促進(jìn)了電子和離子在不同相界面的傳輸速度，從而該硫化鐵和碳二維復(fù)合納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)性能和超常的倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳基二維復(fù)合電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到日常生活的許多方面，由于其高能量密度，其應(yīng)用已成功地從便攜式電子產(chǎn)品擴(kuò)展到電動汽車。作為鋰離子電池的替代品，由于存儲資源豐富、成本低廉，鈉離子電池在大型儲能系統(tǒng)中顯示出了巨大的市場潛力。目前，制備具有優(yōu)異電化學(xué)性能，豐富儲量以及成本低廉的電極材料是鋰離子電池和鈉離子電池的主要挑戰(zhàn)。硫化鐵因其儲量豐富、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極有發(fā)展前途的電極材料。但由于充放電過程中體積變化大，動力學(xué)反應(yīng)緩慢等原因?qū)е铝蚧F的電化學(xué)性能較差，阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。

將電極材料制成納米結(jié)構(gòu)是解決硫化鐵電化學(xué)性能差的可行方法。一般而言，納米結(jié)構(gòu)材料能夠很好地緩沖循環(huán)過程中較大的體積變化，進(jìn)而緩解電極材料的粉化現(xiàn)象，并通過縮短電子和離子的傳輸路徑來增強(qiáng)反應(yīng)動力學(xué)，從而改善循環(huán)性能和倍率性能。然而，納米材料在充放電過程中往往會發(fā)生嚴(yán)重的聚集，這在很大程度上削弱了納米電極材料的優(yōu)點(diǎn)。最近的研究表明，將納米材料與碳質(zhì)材料結(jié)合，可以有效緩解納米材料的聚集的問題。此外，引入的碳材料還可以提高離子/電子電導(dǎo)率，并作為緩沖材料來減緩電極材料的粉化問題。石墨烯因?yàn)槠鋬?yōu)異的導(dǎo)電性和柔韌的二維結(jié)構(gòu)成為在復(fù)合電極材料中應(yīng)用最廣泛的碳質(zhì)材料。合成納米材料與石墨烯復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法是機(jī)械混合或以石墨烯作為基底材料進(jìn)行水熱/溶劑熱。但用上述方法合成的復(fù)合材料常見缺點(diǎn)是：活性組分與石墨烯的相互作用較弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。在充放電過程中，巨大的體積變化會使活性納米材料不斷從石墨烯上脫落，進(jìn)而導(dǎo)致電池的容量衰減和倍率性能差的問題。此外，Hummers法合成石墨烯的附加程序也使復(fù)合材料整個制備過程變得更加復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是由于石墨負(fù)極屬于插層材料，理論比容量較低，不足以滿足人們對鋰離子電池能量密度的需求；此外，石墨在鈉離子電池中屬于惰性材料，容量極低；因而，需要研發(fā)具有更高比容量的負(fù)極材料。而具有合金或轉(zhuǎn)換反應(yīng)的金屬基負(fù)極材料因在儲能過程中的多電子反應(yīng)，具有較高的理論比容量，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。在眾多的金屬基轉(zhuǎn)換材料中，硫化鐵因其比容量高、儲量豐富、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極有發(fā)展前途的電極材料，但由于充放電過程中體積變化大，動力學(xué)反應(yīng)緩慢等原因?qū)е铝蚧F的電化學(xué)性能較差，阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。

為解決上述問題，本發(fā)明通過一種簡單的水熱方法和熱處理相結(jié)合的策略制備了一種超薄硫化鐵和碳納米片復(fù)合電極材料。其中，一體化的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建策略不僅簡化了整個電極材料的合成過程，同時顯著地增加了硫化鐵和二維碳納米片之間接觸的牢固性，極大減小了界面阻抗，促進(jìn)了電子和離子在不同相界面的傳輸速度，從而該硫化鐵和碳二維復(fù)合納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)性能和超常的倍率性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種碳基二維復(fù)合電極材料的制備方法，向鐵鹽溶液中分別加入十二烷基苯磺酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、硫脲、硫代乙酰胺后經(jīng)水熱處理后得到二維復(fù)合材料前驅(qū)體。其中十二烷基磺酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮起到表面活性劑和碳源的作用，硫脲和硫代乙酰胺提供硫源，在水熱過程中鐵離子和硫源形成硫化鐵，并鑲嵌在由有機(jī)小分子聚合形成的二維碳前驅(qū)體骨架中。該前驅(qū)體材料為硫化鐵納米顆粒鑲嵌在表面光滑、具有柔韌性的超薄的二維有機(jī)聚合物；對二維復(fù)合材料前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，得到硫化鐵和碳的二維復(fù)合納米材料，熱處理過程中，硫化鐵量子點(diǎn)聚合結(jié)晶析出，二維有機(jī)聚合物高溫碳化，熱處理結(jié)束之后得到的是硫化鐵納米顆粒或六邊形納米片鑲嵌在柔韌超薄的二維碳納米片表面。