一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于钾离子电池负极储能材料制备领域，公开了一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法及应用。所述的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法包括以下步骤：将Na2S

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于钾离子电池负极储能材料制备领域，特别涉及一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]当前，可再生能源技术的迅速发展对电化学储能设备提出了新的要求。锂离子电池凭借着自身能量密度高，循环寿命长，安全环保等优势成为了电化学储能设备中的佼佼者。然而，锂资源及其有限的储量限制了锂离子电池大规模的应用。考虑到钾与锂具有相似的物理化学特性，且钾的地壳丰度远高于锂，钾离子电池有望成为下一代高能量密度储能设备。
[0003]不过，相比于锂离子钾离子的半径要大得多，因此，钾离子反复嵌入脱出材料更容易导致电极材料的粉化、脱离，使得电池的容量迅速衰减，缩短的电池的使用寿命。因此，要使钾离子电池能够真正应用到现实生活中，设计稳定的电极材料是必须的。
[0004]目前，为了制备寿命长的钾离子电池，碳基负极材料备受青睐。广泛用作钾离子电池负极的硬碳和软碳由于具有大量的孔结构和缺陷，有利于缩短钾离子的扩散路径，能够实现较长的循环寿命。不过，蓬松多孔的结构使其体积密度偏低，大的比表面积使其首圈循环消耗过多的电解液，有限的活性位点使其储钾容量较低。这些缺点限制了碳基负极材料的实际应用。为了弥补碳基材料的不足，锑基材料，如金属锑，三硫化二锑，三氧化二锑等引起了研究人员的关注。锑基材料不仅具有较高的理论容量，还有合适的嵌钾电位。但锑基材料嵌钾后会引起较大的体积膨胀，进而导致电极结构不稳，循环寿命不佳。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法。
[0006]本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料(Sb/Sb2S3@CNT)，Sb/Sb2S3呈短棒状分布在由聚多巴胺炭化生成的碳纳米管中。
[0007]本专利技术再一目的在于提供上述碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的应用。
[0008]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0009]一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将Na2S
·
9H2O和SbCl3均匀溶解于水中，然后再加入乙二醇搅拌均匀得到红褐色溶液，将所得褐红色溶液转移至衬有特氟龙的不锈钢高压釜中，进行混合溶剂热反应，经过洗涤和干燥后得到Sb2S3纳米棒；
[0011](2)将Sb2S3纳米棒超声均匀分散在Tris缓冲溶液中，在搅拌下添加盐酸多巴胺，持续搅拌，得到聚多巴胺包覆Sb2S3纳米棒复合材料(Sb2S3@PDA)；
[0012](3)在氢气和氩气的混合气中，将步骤(2)得到的干燥的Sb2S3@PDA置于管式炉中升
温煅烧得到碳纳米管包覆锑/三硫化二锑的三元复合材料(Sb/Sb2S3@CNT)。
[0013]步骤(1)中所述的Na2S
·
9H2O和SbCl3的摩尔比为0.7～0.8mmol:0.4mmol；
[0014]步骤(1)中所述的水和乙二醇的用量满足：每0.4mmol的SbCl3对应使用30
‑
50mL水；每0.4mmol的SbCl3对应使用的水和乙二醇的总体积为80mL；
[0015]步骤(1)中所述的混合溶剂热反应是指在160
‑
200℃反应8
‑
24h，优选为在180℃反应12h；
[0016]步骤(2)中所述的Tris缓冲溶液的浓度为10mM，pH＝8
‑
9；步骤(2)中所述的Sb2S3纳米棒、Tris缓冲溶液以及盐酸多巴胺的用量满足：每150mL的Tris缓冲溶液对应使用50
‑
150mg的Sb2S3纳米棒以及50
‑
150mg的盐酸多巴胺。
[0017]步骤(2)中所述的超声分散的时间优选为5
‑
40min；所述的持续搅拌的时间优选为6
‑
48h。
[0018]步骤(3)中所述的氢气和氩气的混合气是指氢气的体积分数为5
‑
10％的混合气；
[0019]步骤(3)中所述的升温煅烧是指升温至350
‑
450℃保温0.5
‑
4h，其中升温速率优选为2
‑
10℃/min。
[0020]一种由上述方法制备得到的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料。
[0021]上述的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料在制备钠离子电池以及钾离子电池中的应用，优选为在制备钾离子电池中的应用。
[0022]一种钾离子电池，主要由以下方法组装得到：
[0023](4)将Sb/Sb2S3@CNT、导电炭黑和粘结剂混合在一起，加入水研磨成均匀的浆料，然后均匀地涂布在铜箔上；待表干后转移到真空干燥箱中，真空干燥得到极片；
[0024](5)使用钾金属片作为对电极和参比电极，使用的电解液为双氟磺酰亚胺钾(KFSI)溶液，使用的隔膜为玻璃纤维，在充满氩气的手套箱中组装钾离子电池。
[0025]步骤(4)中所用的导电炭黑为Super P，粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)。Sb/Sb2S3@CNT、导电炭黑和粘结剂的质量比为7:2:1或7:1.5:1.5。
[0026]步骤(4)中真空干燥温度为50
‑
80℃，干燥时间为12
‑
48h。
[0027]步骤(5)中使用的电解液为KFSI盐溶解在碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯溶剂(DEC)(1:1vol％)中,浓度为1mol/L；或者KFSI盐溶解在乙二醇二甲醚(DME)中，浓度为4mol/L。
[0028]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0029]本专利技术旨在抑制和缓冲锑基材料在嵌钾时的体积膨胀，制备具有高容量和长循环稳定性的钾离子电池负极材料。本专利技术的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料用于钾离子电池具有容量高，循环稳定性好等优点，产业化前景较好。
附图说明
[0030]图1是实施例1中Sb2S3和Sb/Sb2S3@CNT的X射线衍射(XRD)谱图。
[0031]图2是实施例1中水热反应得到的Sb2S3的扫描电子镜微镜(SEM)照片。
[0032]图3是实施例1中制备Sb/Sb2S3@CNT的SEM照片。
[0033]图4是实施例1中制备的Sb/Sb2S3@CNT的元素分布图。
[0034]图5是本专利技术实施例1中制备的Sb/Sb2S3@CNT负极材料在500mA g
‑1的电流密度下
的循环性能图，充放电电压区间为0.01
‑
2.5V。
[0035]图6为本专利技术实施例2中得到的Sb/Sb2S3@CNT产物的SEM。
[0036]图7为实施例2制备得到的Sb/Sb2S3@CNT在100mA g
‑1的电流密度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将Na2S
·
9H2O和SbCl3均匀溶解于水中，然后再加入乙二醇搅拌均匀得到红褐色溶液，将所得褐红色溶液转移至衬有特氟龙的不锈钢高压釜中，进行混合溶剂热反应，经过洗涤和干燥后得到Sb2S3纳米棒；(2)将Sb2S3纳米棒超声均匀分散在Tris缓冲溶液中，在搅拌下添加盐酸多巴胺，持续搅拌，得到聚多巴胺包覆Sb2S3纳米棒复合材料Sb2S3@PDA；(3)在氢气和氩气的混合气中，将步骤(2)得到的干燥的Sb2S3@PDA置于管式炉中升温煅烧得到碳纳米管包覆锑/三硫化二锑的三元复合材料Sb/Sb2S3@CNT。2.根据权利要求1所述的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的Na2S
·
9H2O和SbCl3的摩尔比为0.7～0.8mmol:0.4mmol；步骤(1)中所用的水和乙醇的用量满足：每0.4mmol的SbCl3对应使用30
‑
50mL水；每0.4mmol的SbCl3对应使用的水和乙二醇的总体积为80mL；步骤(1)中所述的混合溶剂热反应是指在160
‑
200℃反应8
‑
24h，优选为在180℃反应12h。3.根据权利要求1所述的碳包覆锑/三硫化二锑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的Tris缓冲溶液的浓度为10mM，pH＝8
‑
9；步骤(2)中所述的Sb2S3纳米棒、Tris缓冲溶液以及盐酸多巴胺的用量满足：每150mL的Tris缓冲溶液对应使用50
‑
150mg的Sb2S3纳米棒以及50
‑
150mg的盐酸多巴胺；步骤(2)中所述的超声分散的时间优选为5
‑
40...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏岩，吴源基，孙影娟，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：