【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，尤其是涉及一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法。
技术介绍
1、水系电池因其低成本、环境友好性和高安全性被认为是最具有发展潜力的技术之一，可以作为锂离子电池和钠离子电池市场的有效补充甚至替代，在大规模能源存储领域应用潜力巨大。然而，目前水系锌离子电池主要依赖于嵌入型正极材料，比如钒系、锰系、普鲁士蓝、有机材料等，但上述的材料能量密度普遍较低。而基于转化反应机制的金属硫化物能通过多电子的转移实现高理论比容量，正好可以弥补水系锌离子电池能量密度不足的劣势。
2、黄铁矿(fes2)因其较高的理论容量、丰富的资源和低廉的价格被认为是非常有前途的电极材料之一。然而，其本身存在着诸多问题，包括：
3、1.电子及离子导电性低；
4、2.循环过程中的结构退化；
5、3.电极的粉化和多硫化物的溶解；
6、上述问题都会导致电池的容量快速衰减。同时在传统电极的制备工艺中，粘结剂、导电剂和集流体的使用都会降低电池本身的质量能量密度，不利于实际应用。
7、因此，有必要提供一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，来解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，以解决上述二硫化铁正极材料存在的技术问题。该制备方法利用静电纺技术，经过低温氧化和高温碳化，设计制备出了三维网状碳纤维复合材料，并在该材料的基础上通过原位硫化得到了纳米二硫化铁
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，包括以下步骤：
3、s1、将聚丙烯腈(pan)和乙酸铁加入n，n二甲基甲酰胺(dmf)中，均匀搅拌直至完全溶解，形成均匀纺丝溶液；
4、s2、将纺丝溶液转移至注射器中，在注射器的针头和收集器之间施加高压电，通过控制注射速度和滚筒转速原位纺制在收集器上得纳米纤维膜；
5、s3、将纳米纤维膜烘干后，在空气中进行低温退火稳定，聚丙烯腈(pan)发生脱氢、环化和氧化，导致fe(ac)2转化为fe2o3，进一步对纳米纤维膜进行碳化，fe2o3转化为fe3c，同时由于额外的腈基热解，碳含量增加，最终得到了富含孔隙结构结构的碳化纤维膜，该碳化纤维膜为三维多孔材料，这种结构大大提高了电解液的浸润程度和活性比表面积；
6、s4、将碳化纤维膜进行气相硫化，镶嵌在纳米碳纤维上的fe3c在高温下与含硫气氛发生反应，原位转化为fes2纳米颗粒，均匀分布在碳化纤维膜的多孔三维碳纤维骨架上，得到负载二硫化铁的纳米纤维薄膜；构建了高速电子离子传输通道，抑制了反应过程中体积膨胀对正极的结构破坏，提高了正极材料的结构稳定性；
7、s5、将负载二硫化铁的纳米纤维薄膜裁剪后作为电池正极材料。
8、优选的，纳米纤维薄膜与负载的二硫化铁的质量比为1：3～4。
9、优选的，步骤s1中，聚丙烯腈的分子量为150000-200000，聚丙烯腈和乙酸铁的投入质量比为7：8，乙酸铁与二甲基甲酰胺的质量体积比为0.8g：8～10ml，搅拌时间为12h。
10、优选的，步骤s2中，注射器的针头直径为19～21g，注射器的针头与收集器之间的距离固定为18cm，负高压和正高压分别为-2和16kv，注射速度为1ml/h，滚筒转速为200r/min，纺丝环境湿度控制在25～35％。
11、优选的，步骤s3中，空气中低温退火稳定的温度为280℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2h。
12、优选的，步骤s3中，碳化过程在氩气环境中进行，碳化温度为600～800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h。
13、优选的，步骤s4中，气相硫化中采用升华硫与碳化纤维膜的质量比为10：1，硫化环境为氩气气氛，硫化温度为500℃，保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
14、优选的，步骤s5中，裁剪得到电池正极材料的厚度为120～130μm。
15、因此，本专利技术采用上述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，具备以下有益效果：
16、1、本专利技术通过静电纺丝工艺，设计制备出了连续三维网状结构，通过后续的连续热处理，原位构筑的多孔碳纤维基体很好地将纳米二硫化铁颗粒分散连接，独特的结构设计和氮原子掺杂，提高了碳材料本征缺陷程度的同时加速了电子转移速率，形成了高效的三维导电网络，有利于电子和离子的传输与扩散；
17、2、本专利技术制备的独特的三维结构可以有效抑制反应过程中的体积膨胀、活性物质的溶解损失和放电产物的团聚，提高了正极材料的电化学稳定性和循环寿命；
18、3、本专利技术提供的自支撑正极的设计可以避免集流体、粘结剂和导电剂的使用，大大提高正极的质量能量密度，静电纺丝和原位热处理结合的工艺便于工业化生产和商业化应用；通过本专利技术制备方法，可实现倍率性能及循环性能优异的正极自支撑材料的制备；
19、4、本专利技术制备的二硫化铁静电纺丝自支撑正极应用于水系电池体系，水系电池相较于现如今常用的锂电池具有本征安全性和低成本的特性，fes2基于多电子转移的转换反应可以表现出较高的比容量，能够有效弥补水系电池容量低的缺点，本工作的正极材料不但表现出自主支撑特性和较高的比容量，而且可以保持一个大电流情况下的长时间循环稳定性，具有良好的倍率性能和使用寿命，表现出先进性。
20、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，纳米纤维薄膜与负载的二硫化铁的质量比为1：3～4。
3.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚丙烯腈的分子量为150000-200000，聚丙烯腈和乙酸铁的投入质量比为7：8，乙酸铁与二甲基甲酰胺的质量体积比为0.8g：8～10ml，搅拌时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S2中，注射器的针头直径为19～21G，注射器的针头与收集器之间的距离固定为18cm，负高压和正高压分别为-2和16kV，注射速度为1ml/h，滚筒转速为200r/min，纺丝环境湿度控制在25～35％。
5.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S3中，空气中低温退火稳定的温度为280℃，升温速率为2℃/min，保
6.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S3中，碳化过程在氩气环境中进行，碳化温度为600～800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h。
7.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S4中，气相硫化中采用升华硫与碳化纤维膜的质量比为10：1，硫化环境为氩气气氛，硫化温度为500℃，保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
8.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤S5中，裁剪得到电池正极材料的厚度为120～130μm。
...【技术特征摘要】
1.一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，纳米纤维薄膜与负载的二硫化铁的质量比为1：3～4。
3.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤s1中，聚丙烯腈的分子量为150000-200000，聚丙烯腈和乙酸铁的投入质量比为7：8，乙酸铁与二甲基甲酰胺的质量体积比为0.8g：8～10ml，搅拌时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种水系电池用二硫化铁静电纺丝自支撑正极的制备方法，其特征在于，步骤s2中，注射器的针头直径为19～21g，注射器的针头与收集器之间的距离固定为18cm，负高压和正高压分别为-2和16kv，注射速度为1ml/h，滚筒转速为200r/min，纺丝环境湿度控制在25～3...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓敏，陈佳骏，赵振新，王永祯，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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