一种氮硫掺杂碳负载Fe制造技术

本发明专利技术公开了一种氮硫掺杂碳负载Fe

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及一种电池负极材料的制备方法，尤其涉及一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备方法及其应用，属于钠离子电池负极材料领域。
技术介绍
由于人口急剧增加、化石燃料过度消耗以及环境污染日益严重，清洁能源的开发和存储技术受到广泛关注。近几十年来，锂离子电池技术的快速进步改善了人类的生活水平。大多数移动电子设备、电动自行车和电动汽车都采用锂离子电池。然而，锂源的储量有限，锂离子电池的成本也随着锂的开发成本增加而上涨。因此，仅靠锂离子电池已无法满足储能应用不断增长的需求。钠离子电池(SIBs)具有成本低、原料丰富、环境友好等优点，被认为是有望取代锂离子电池(LIBs)的二次储能技术。钠是地壳丰度排第四的金属元素(约2.74％，比锂高出4-5个数量级)，且分布广泛、易获取，所以SIBs引起了相当大的研究关注。在过去的十几年中，人们一直在努力探索适用于SIBs的负极材料，并且已经取得了重大进展。现有钠离子电池负极材料主要包括：硬碳负极、合金负极、金属氧化物和硫化物负极以及有机材料负极。其中，金属硫化物具有成本低，理论比容量高等优势。例如，Fe7S8作为钠离子电池负极材料具有较高的理论比容量(662mAh/g)。但是，Fe7S8在充放电过程中体积膨胀非常严重，甚至导致电极破碎、粉化。这使得钠离子电池的电化学性能迅速下降，循环稳定性难以解决。同时，在大颗粒Fe7S8中，钠离子扩散动力学受限，材料的导电性不佳，导致无法达到理想的实用效果。因此，现有技术还有待于改进与发展。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术的目的旨在提供一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备方法，该方法工艺简单，成本低，用于钠离子电池负极时展现出优异的循环性能、倍率性能和赝电容特性。一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备方法，具体步骤如下：1)将丝胶蛋白溶解于去离子水，在磁力搅拌下充分溶解，离心除去不溶性杂质，取上清液得到20wt％的丝胶蛋白水溶液；2)将0.3～0.5gFe(NO3)3·9H2O溶解于6mL步骤1)得到的丝胶蛋白水溶液，在室温下磁力搅拌2h，得到混合溶液；3)将步骤2)得到的混合溶液，在磁力搅拌辅助下，逐滴滴加到80mL的无水乙醇中，得到Fe3+-丝胶蛋白悬浮液；4)将步骤3)得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮液用无水乙醇离心洗涤，并重新分散在60mL的无水乙醇中，得到Fe3+-丝胶蛋白悬浮分散液；5)将步骤4)得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮分散液，倒入100mL聚四氟乙烯内衬中，封装入反应釜外套，放置于140～180℃的烘箱，反应4～8h，得到Fe@丝胶蛋白前驱体；6)将步骤5)得到的Fe@丝胶蛋白前驱体用无水乙醇离心洗涤，所得的固体沉淀置于60℃的真空烘箱中干燥12h，得到干燥的Fe@丝胶蛋白前驱体；7)取200mg步骤6)得到的干燥的Fe@丝胶蛋白前驱体与300-500mg硫单质研磨均匀，得到混合物；8)将步骤7)得到的混合物，置于管式炉中央，在惰性气体保护下升温至600℃后保温4～8个小时，冷却至室温，收集得到黑色反应产物即为氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料。所述丝胶蛋白的分子量为16000～20000。所述离心过程转速为8000rpm，离心时间为10min。所述磁力搅拌的速度为1000rpm。所诉保护性气氛为氩气、氮气中的一种。所述升温速率为5℃/min。一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的应用，适用于权利要求1制备得到的氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料，其特征在于：氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料按照质量比为7：2：1与导电炭黑、粘结剂(PVDF)混合，然后将所得混合物加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中搅拌6h，随后在铜箔上涂膜，制备负极电极片；再以金属钠片为对电极、NaFP6的Diglyme(即二甘醇二甲醚)混合液为电解液，电解液中，NaFP6的浓度为1mol/L，以WhatmanGF/C玻璃纤维滤纸为隔膜，组装成纽扣电池。与
技术介绍
相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术以丝胶蛋白为原料，通过配位作用锚定Fe3+，经过溶剂热处理和高温硫化后，得到了一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料。所得的电池负极材料具有大的比表面积和分级多孔结构，可为快速电荷传输提供有效的通道，并允许电极和电解质完全接触，有利于钠离子的及时输运。坚固的碳架构提供了可观的应力缓冲空间，可承受体积膨胀，并确保了电化学过程中坚固的结构稳定性。氮硫掺杂不仅引入了丰富的活性位点，并且改善了电池负极材料的导电性。在500mA/g的电流密度下，氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料显示出569mA·h/g的高可逆容量。氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备成本低，工艺流程简单，将其运用于钠离子电池负极材料中，展现出优异的电化学性能，具备良好的应用前景。附图说明图1是实施例2制备的氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的场发射扫描电镜(SEM)图像。图2是实施例2制备的氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的X射线衍射(XRD)图谱。图3是实施例2制备的氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的X射线光电子能谱(XPS)图像。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1:1)将分子量为16000丝胶蛋白溶解于去离子水中，在转速为8000rpm的磁力搅拌下充分溶解后，离心10min除去不溶性杂质，取上清液得到20wt％的丝胶蛋白水溶液；2)将0.3gFe(NO3)3·9H2O溶解于6mL步骤1)中得到的丝胶蛋白水溶液，在室温下磁力搅拌2h；3)将步骤2)中得到的混合溶液，在速度为1000rpm的磁力搅拌辅助下，逐滴滴加到80mL的无水乙醇中；4)将步骤3)中得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮液用无水乙醇离心洗涤，并重新分散在60mL的无水乙醇中；5)将步骤4)中得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮分散液，倒入100mL聚四氟乙烯内衬中，封装入反应釜外套后，放置于140℃的烘箱中，反应4h；6)将步骤5)中得到的Fe@丝胶蛋白前驱体用无水乙醇离心洗涤，所得的固体沉淀置于60℃的真空烘箱中干燥12h；7)取200mg步骤6)中得到的Fe@丝胶蛋白前驱体与300mg硫单质研磨均匀；8)将步骤7)中得到的混合物，置于管式炉中央，在氩气保护下，升温速率为5℃/min的升温至600℃后保温4个小时，冷却至室温后，收集得到黑色反应产物即为氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料；9)取本实施例制得的氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料按照质量比为7：2：1与导电炭黑、粘结剂(PVDF)混合，然后将所得混合物加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中搅拌6h，随后在铜箔上涂膜，制备负极电极片；再以金属钠片为对电极、NaFP6的Diglyme本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮硫掺杂碳负载Fe

【技术特征摘要】
1.一种氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将丝胶蛋白溶解于去离子水，在磁力搅拌下充分溶解，离心除去不溶性杂质，取上清液得到20wt％的丝胶蛋白水溶液；
2)将0.3～0.5gFe(NO3)3·9H2O溶解于6mL步骤1)得到的丝胶蛋白水溶液，在室温下磁力搅拌2h，得到混合溶液；
3)将步骤2)得到的混合溶液，在磁力搅拌辅助下，逐滴滴加到80mL的无水乙醇中，得到Fe3+-丝胶蛋白悬浮液；
4)将步骤3)得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮液用无水乙醇离心洗涤，并重新分散在60mL的无水乙醇中，得到Fe3+-丝胶蛋白悬浮分散液；
5)将步骤4)得到的Fe3+-丝胶蛋白悬浮分散液，倒入100mL聚四氟乙烯内衬中，封装入反应釜外套，放置于140～180℃的烘箱，反应4～8h，得到Fe@丝胶蛋白前驱体；
6)将步骤5)得到的Fe@丝胶蛋白前驱体用无水乙醇离心洗涤，所得的固体沉淀置于60℃的真空烘箱中干燥12h，得到干燥的Fe@丝胶蛋白前驱体；
7)取200mg步骤6)得到的干燥的Fe@丝胶蛋白前驱体与300-500mg硫单质研磨均匀，得到混合物；
8)将步骤7)得到的混合物，置于管式炉中央，在惰性气体保护下升温至600℃后保温4～8个小时，冷却至室温，收集得到黑色反应产物即为氮硫掺杂碳负载Fe7S8电池负极材料。


2.根据权利要求1所述的一种氮硫掺杂碳负载Fe7S...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡玉荣，赵陈煜，甄爱钢，杨晓刚，林敏婕，何涛，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33