一种多孔FeS2-氮掺杂碳框架材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及钠离子电池的技术领域，公开了一种多孔FeS2‑

【技术实现步骤摘要】
一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术属于钠离子电池的
，更具体涉及一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着新能源领域的快速发展，研究更加高效的能源储存技术成为研究者们共同的焦点。锂离子电池凭借较高的能量密度和能量转化效率，已经被广泛应用于移动设备、电动汽车、储能电站等领域。但锂资源稀缺、回收率低以及价格高等问题极大限制了锂离子电池未来的应用。相较于锂元素，钠元素在地壳含量更加丰富，在离子电池中的脱嵌机制与锂离子电池类似，并且钠离子电池具有更高的安全性，更有利于实际大规模生产应用。
[0003]然而钠离子电池产业化仍存在许多挑战，如较大的钠离子半径而引起的钠离子扩散速率低、脱嵌钠时材料体积变化大造成材料倍率性能差、循环性能不稳定等问题。因此，为了更好地适应行业发展需求，开发低成本、高性能的钠离子电池电极材料已成为推动钠离子电池实际应用的重要一环。
[0004]FeS2因具有较高的理论比容量、原料廉价及环境友好等特点受到了广泛关注。然而其在脱嵌钠的过程中存在体积变化剧烈、扩散动力学缓慢和多硫化物的溶解等问题，严重限制了其作为钠离子电池负极材料的应用。目前结构设计、碳复合已被证明是改善FeS2材料储钠性能的有效手段。而采用溶剂热法结合热处理及气相硫化工艺可制备具有微纳结构的FeS2/碳材料，并展现出了较好的储钠性能。但在所涉及到的制备方法中，溶剂热法通常需要高温高压的反应条件，且反应过程中也需要持续加热来提供能量，这增加了材料制备的成本及安全隐患。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料及其制备方法、应用。本专利技术首先采用机械化学法代替传统溶剂热合成方法制备前驱体。机械化学法是通过机械力驱动配位化学反应进行，无需溶剂和高温高压反应环境，是一种更加温和的合成方法。本专利技术采用了球磨工艺进行机械化学法的合成。其次在球磨过程中还添加了硬模板剂，该助剂不仅在球磨中起到辅助研磨、细化物料的作用，增强了底物的反应性，提高了球磨效率，还作为物理模板，在高温热解过程中有利于有机组分热解形成开放多孔碳框架。该结构不仅能促进电极材料与电解液接触，使活性位点得到充分利用，并且有效缓解了复合材料的体积变化，维持了循环过程中复合材料的结构完整性，从而具有更出色的储钠性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术提供了一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料，所述多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料由氮掺杂碳和FeS2颗粒两部分组成，氮掺杂碳具有开放多孔框架结构，FeS2颗粒分布在氮掺杂碳框架表面及内部，直径分布为20～60nm。
[0008]其次，本专利技术还提供了一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)将铁盐、硬模板剂和氨基三乙酸进行预混处理后，进行球磨得到前驱体；
[0010](2)将前驱体进行高温热解，后浸泡于水中去除硬模板剂得到中间产物；
[0011](3)将中间产物进行气相硫化，即可得到最终产物FeS2‑
氮掺杂碳框架材料。
[0012]有机配体氨基三乙酸具有三个羧基，具有较强螯合能力，容易与Fe
3+
发生配位反应。而且可同时作为碳源和氮源，所制备的最终产物碳含量在30％～40％，该比例具有较好的循环稳定性和储钠容量。在上述制备过程中，球磨为体系提供机械力(摩擦力、剪切力等)，这不仅可以激发Fe
3+
与氨基三乙酸的羧基之间发生配位化学反应，还可不断细化物料并促进硬模板剂的分散。将球磨得到的前驱体在惰性气氛保护下高温热解，受硬模板剂的影响，硬模板剂在高温热解过程中，作为物理模板，有机组分可热解形成多孔碳框架。最后，通过气相硫化法硫化得到多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料。
[0013]具体地，在球磨的过程中，由于硬模板剂是立方晶体结构，颗粒可以均匀分布在球磨体系中。在惰性气氛下煅烧复合材料时，氨基三乙酸在硬模板剂表面之间碳化，可以形成类似于纳米片的氮掺杂碳框架结构。用去离子水去除硬模板剂后还会出现许多孔洞，这种结构的优势在于具有开放多孔的框架结构，该结构不仅能促进电极材料与电解液接触，使活性位点得到充分利用，从而具有更出色的储钠性能。
[0014]本专利技术所得材料具有以下优势：(1)开放且多孔的碳框架不仅有利于电解液/电极材料之间的接触，还有效缓解了FeS2在脱/嵌钠过程中的体积变化，增强了复合材料整体的结构稳定性；(2)较小尺寸的FeS2颗粒能提高活性物质的利用率并能有效缩短钠离子的扩散路径；(3)该复合材料用作钠离子电池负极时，具有出色的循环和倍率性能。
[0015]进一步优选的，步骤(1)中，所述铁盐与氨基三乙酸的摩尔比为1：(2～5)。
[0016]进一步优选的，步骤(1)中，所述铁盐和氨基三乙酸的总质量与硬模板剂质量的比例为1：(0.2～3)。
[0017]硬模板剂的添加有利于储钠容量的提升，但如果超过铁盐和氨基三乙酸的总质量与硬模板剂质量的比例范围1：(0.2～3)，反而不利于储钠容量的提升。
[0018]进一步优选的，步骤(1)中，所述铁盐为氯化铁或硝酸铁；所述硬模板剂为氯化钠、氯化钾和硫酸钠其中的一种或多种；所述球磨的过程中，加入铁盐、硬模板剂和氨基三乙酸的总质量与球磨珠质量比为1：(5～20)。
[0019]进一步优选的，步骤(1)中，所述球磨的时间为3～12h，转速为200～500rpm；所述预混的时间为10～60min，转速为200～500rpm。
[0020]增大球磨的转速及球磨珠的配重也提升了球磨效果，有利于储钠容量提升。
[0021]进一步优选的，步骤(2)中，所述高温热解的煅烧气氛为氮气或氩气，温度为600～900℃，保温时间为1～3h。
[0022]进一步优选的，步骤(3)中，所述中间产物与硫源质量配比为1：(3～5)。
[0023]进一步优选的，步骤(3)中，所述气相硫化的温度为400～600℃，保温时间为1～3h；所述气相硫化的气氛为氮气或氩气；所述硫源为硫粉。
[0024]最后，本专利技术还提供了一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料在钠离子电池中的应用。
[0025]进一步优选的，所述多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料在钠离子电池中作为负极材料
的应用
[0026]相比于现有技术，本专利技术具有以下优点：
[0027](1)机械化学法与传统的溶剂热法相比，具有无需高温高压环境、无需溶剂、简单快速等诸多优点；
[0028](2)多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料开放且多孔的结构不仅有利于电解液/电极材料之间的接触，还有效增强了复合材料的结构稳定性，用作钠离子电池负极时，该复合材料表现出优良的储钠性能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料，其特征在于，所述多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料由氮掺杂碳和FeS2颗粒两部分组成，氮掺杂碳具有开放多孔框架结构，FeS2颗粒分布在氮掺杂碳框架表面及内部，直径分布为20～60nm。2.一种如权利要求1所述多孔FeS2‑
氮掺杂碳框架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将铁盐、硬模板剂和氨基三乙酸进行预混处理后，进行球磨得到前驱体；(2)将前驱体进行高温热解，后浸泡于水中去除硬模板剂得到中间产物；(3)将中间产物进行气相硫化，即可得到最终产物FeS2‑
氮掺杂碳框架材料。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁盐与氨基三乙酸的摩尔比为1：(2～5)。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁盐和氨基三乙酸的总质量与硬模板剂质量的比例为1：(0.2～3)。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁盐为氯化铁或硝酸铁；所述硬模板剂为氯化钠、氯化钾和硫酸钠其中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨叶锋，温仪，李晓月，郜婧怡，孙倩倩，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：