一种磷掺杂FeS2@C的负极材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种磷掺杂FeS2@C的负极材料及其制备和应用，该负极材料是由纺锤体结构的FeS2@C掺杂P元素获得的；其中，所述FeS2@C是由纺锤体结构的Fe2O3@PDA与S在管式炉中加热至500℃反应获得的，FeS2@C的纺锤体结构具有核壳结构，壳层为碳层，所述碳层为无定型碳，碳层中存在的缺陷作为吸附阳离子的活性位点；核层为FeS2纳米颗粒堆积而成，且伴随着孔结构的形成。本发明专利技术通过合理设计制备了磷掺杂纺锤体FeS2@C负极材料，展现出了该电极优异的储钠性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种磷掺杂FeS2@C的负极材料及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及电池负极材料
，具体为一种磷掺杂FeS2@C 的负极材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]FeS2负极具有丰富的原料来源、高理论比容量(894.0mAh
·
g
‑1) 以及适宜的电压平台等优势，引起了研究者的广泛关注。此外，理论计算证实了FeS2材料首圈插层反应生成的中间产物NaFeS2具有良好的导电性(类金属特性)，有效地促进了电荷传输。然而，较大的Na
+
半径致使FeS2负极发生转换反应时产生巨大的体积膨胀，造成容量的快速衰减。此外，FeS2的电子导电性较差，导致Na
+
在材料体相内扩散速率缓慢，严重限制了其倍率性能。为了解决上述问题，引入高导电性碳材料的引入是加快电荷转移速率、促进离子扩散、缓解材料体积膨胀的有效策略。Wang等设计了合成核壳结构的FeS2@C纳米立方，随后将其均匀铆钉在石墨烯层上构造了具有三维导电网络的分级纳米结构。碳层包覆有效缓解了FeS2材料的体积膨胀，而三维石墨烯结构提高了材料的电子导电性，使得复合材料展现出了优异的循环和倍率性能，且远远高于纯FeS2电极。类似的，Zhao等在FeS2微米花外层包覆一层盐酸多巴胺衍生的碳材料，也表现出了优异的储钠性能。
[0003]杂原子(金属或非金属)掺杂是改善金属硫化物本征电子导电性的有效策略。杂质原子通过取代晶格中的主体原子，将多余的电子或空穴引入半导体材料中，进而改变其电子结构；在掺杂位点附近发生电荷再分配诱导形成局部内建电场，促进电荷传输和Na
+
扩散。在材料主体中引入非等价杂原子时，容易在掺杂位点附近产生空位来维持材料整体电荷平衡，同时也在一定程度上引起材料晶格的畸变(晶格间距的增大或缩小)，吸附Na
+
进而提供更多的储钠活性位点。Yuan 等在CoSe2材料中引入Co空位，通过理论计算证明Co空位的引入在很大程度上改善了材料的电子导电性，减小了Na
+
的扩散能垒。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种磷掺杂FeS2@C的负极材料及其制备和应用，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种磷掺杂 FeS2@C的负极材料及其制备和应用，该负极材料是由纺锤体结构的 FeS2@C掺杂P元素获得的；其中，所述FeS2@C是由纺锤体结构的 Fe2O3@PDA与S在管式炉中加热至500℃反应获得的，FeS2@C的纺锤体结构具有核壳结构，壳层为碳层，所述碳层为无定型碳，碳层中存在的缺陷作为吸附阳离子的活性位点；核层为FeS2纳米颗粒堆积而成，且伴随着孔结构的形成。
[0006]优选地，FeS2@C材料的比表面积为11.21m2·
g
‑1，平均孔径为 15.6nm。
[0007]优选地，所述碳层的厚度为3～5nm。
[0008]优选地，该负极材料的XPS图谱，存在对应C＝C键、C
‑
N键、C＝O键、P
‑
O键、S
‑
Fe键和S
‑
O键的特征峰。
[0009]优选地，该负极材料是由纺锤体结构的FeS2@C与次磷酸钠在管式炉中于300℃反应获得的。
[0010]优选地，所述FeS2@C和次磷酸钠的质量比为1:(10～80)。
[0011]优选地，所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料的制备方法，其特征在于：该方法包含：
[0012]优选地，将纺锤体结构的Fe2O3@PDA与S在管式炉中加热至 400
‑
550℃反应，获得纺锤体结构的FeS2@C；
[0013]将纺锤体结构的FeS2@C与次磷酸钠在管式炉中于300
‑
400℃反应，获得磷掺杂FeS2@C的负极材料。
[0014]优选地，所述的制备方法，其特征在于：所述Fe2O3@PDA的制备方法为：
[0015]将FeCl3·
6H2O和NaH2PO4溶解在水中，转移到反应釜内 100
‑
120℃水热反应；待反应结束后，自然冷却至室温，抽滤，烘干，得到的棕黄色粉末为纺锤体Fe2O3；将纺锤体Fe2O3加入至pH为8.5 的三强甲氨基甲烷缓冲液中，超声分散均匀形成悬浮液，再加入盐酸多巴胺后持续搅拌得到灰黑色溶液，抽滤，干燥，得到Fe2O3@PDA。
[0016]优选地，所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料在作为钠离子电池负极材料方面的应用。
[0017]优选地，通过磷掺杂FeS2负极材料诱导形成局部内建电场，促进电荷传输和Na
+
扩散。
[0018]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术通过水热法和气相硫化制备了纺锤体结构的FeS2@C材料，随后通过低温磷化策略实现磷掺杂FeS2@C材料的制备(P
‑
FeS2@C)，在P
‑
FeS2@C复合材料中，碳层包覆可以有效缓解Na
+
反复脱嵌造成的结构塌陷问题，防止活性物质从集流体上脱落，延长了电极的循环寿命；P掺杂后改善了FeS2的本征电子导电性，加快了电子传输和Na
+
扩散，实现了更优异的倍率性能。P
‑
FeS2@C电极在1.0和10.0A
·
g
‑1下分别获得了 631.6和395.5mAh
·
g
‑1的可逆比容量，在20.0A
·
g
‑1下循环4000圈后比容量仍可维持在282.1mAh
·
g
‑1，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。
附图说明
[0019]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0020]在附图中：
[0021]图1是本专利技术纺锤体P
‑
FeS2@C复合材料的制备流程示意图；
[0022]图2是本专利技术纺锤体Fe2O3的XRD图谱；
[0023]图3是本专利技术(a，b)纺锤体FeS2@C材料及不同磷掺杂量 P
‑
FeS2@C样品的XRD图谱和局部放大图；(c，d)是本专利技术纺锤体 FeS2@C材料及其不同磷掺杂量P
‑
FeS2@C样品的拉曼光谱和局部放大图；
[0024]图4是本专利技术SEM形貌图(a
‑
c)纺锤体Fe2O3；(d
‑
f)纺锤体 Fe2O3@PDA；(g
‑
i)纺锤体FeS2@C；
[0025]图5是本专利技术未进行碳包覆处理的纯FeS2的SEM图；
[0026]图6是本专利技术FeS2@C与不同P掺杂量的P
‑
FeS2@C电极的电化学性能评价：(a)在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：该负极材料是由纺锤体结构的FeS2@C掺杂P元素获得的；其中，所述FeS2@C是由纺锤体结构的Fe2O3@PDA与S在管式炉中加热至400
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550℃反应获得的，FeS2@C的纺锤体结构具有核壳结构，壳层为碳层，所述碳层为无定型碳，碳层中存在的缺陷作为吸附阳离子的活性位点；核层为FeS2纳米颗粒堆积而成，且伴随着孔结构的形成。2.根据权利要求1所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：FeS2@C材料的比表面积为11.21m2·
g
‑1，平均孔径为15.6nm。3.根据权利要求1所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：所述碳层的厚度为3～5nm。4.根据权利要求1所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：该负极材料的XPS图谱，存在对应C＝C键、C
‑
N键、C＝O键、P
‑
O键、S
‑
Fe键和S
‑
O键的特征峰。5.根据权利要求1所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：该负极材料是由纺锤体结构的FeS2@C与次磷酸钠在管式炉中于300℃反应获得的。6.根据权利要求5所述的磷掺杂FeS2@C的负极材料，其特征在于：所述FeS2@C和次磷酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振国，岳鲁超，郭孝东，宋扬，钟本和，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：