CN104485455A - 一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用，包括：铁粉、硒粉和硫粉混合压靶；在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁；球磨。本发明制备的硒硫化铁用作锂离子电池负极材料。本发明的制备方法操作简单，工艺简单，适合大规模生产；本发明的硒硫化铁负极材料具有较高的比容量，高循环性能和高倍率性能，是一种性能良好的锂离子电池负极材料。

Description

一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用。
背景技术
随着经济技术的发展，锂离子电池已经在便携式设备上取得了极大的成功，而在大规模应用前景上，比如电动汽车等方面的前景极大的推动者锂电池行业向前发展。但是目前商用锂离子电池都是基于传统嵌入脱出机理的电极材料，由于其能量密度低极大的限制了其在电动汽车行业的应用，因而开发具有大容量的、高能量密度的电极材料来取代传统的小容量和低能量密度电极材料已经成为全球的研究热点。
基于转换反应的电极材料由于其具有比传统材料高很多的理论容量而受到广泛的关注，比如过渡金属氧化物、氟化物、硫化物等。但是单一体系的过渡金属化合物都具有各自本质的缺陷，从而其实际应用受到了限制。在锂电池电极材料中，双阴离子化合物比如金属氧氟化物、氧氮化物和氧硫化物由于能够结合单阴离子化合物的各类优点近期得到了广泛的关注。然而，金属硒硫化物的电化学性能并没有被报道过。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用，旨在解决现有缺少硒硫化亚铁负极材料的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将铁粉、硒粉和硫粉，按照摩尔比铁粉：硒粉：硫粉＝2:1.3:1.5，放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4cm的圆形靶材，成型压力为2～10MPa；
步骤二，在将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5～10℃/min，升温至500～800℃后保温1～6h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
步骤三，将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，空气气氛下，放入球磨罐中球磨4～10h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体。
本发明实施例的另一目的在于提供一种负极材料硒硫化亚铁的应用，制得的硒硫化亚铁材料用作锂离子电池负极材料。
本发明提供的负极材料硒硫化亚铁的制备方法及其应用，制备的硒硫化铁用作锂离子电池负极材料。本发明的制备方法操作简单，工艺简单，适合大规模生产；本发明的硒硫化铁负极材料具有较高的比容量，高循环性能和高倍率性能，是一种性能良好的锂离子电池负极材料。本发明首次采用简单的固相法制备出硒硫化亚铁负极材料，并将其用作锂离子电池的负极，具有较高的比容量(471mAh/g)和高倍率性能(见图4)，是一种性能良好的锂离子电池负极材料，使用固相法制备，操作工艺简单，适合大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的为实施例4所得的锂离子电池负极材料的XRD图谱示意图；
图3是本发明实施例提供的实施例1中所得的锂离子电池负极材料的充放电曲线图；
图4是本发明实施例提供的实施例1～4中所得的锂离子电池负极材料在不同电流密度下的首次放电曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的负极材料硒硫化亚铁的制备方法包括以下步骤：
S101：将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4cm的圆形靶材，成型压力为2～10MPa；
S102：将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5～10℃/min，升温至500～800℃后保温1～6h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
S103：烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，放入球磨罐中球磨4～10h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体。
本发明的具体步骤：
(1)铁粉、硒粉和硫粉混合压靶：
将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4cm的圆形靶材，成型压力为2～10MPa；铁粉：硒粉：硫粉＝2:1.3:1.5，压靶压力是2～10MPa；
(2)在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁：
将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5～10℃/min，升温至500～800℃后保温1～6h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
(3)球磨：
将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，空气气氛下，放入球磨罐中球磨4～10h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体。
制得的硒硫化亚铁负极材料。
硒硫化亚铁材料用作锂离子电池电极材料。
本发明的具体实施例：如图2-图4所示；
实施例1：
(1)铁粉、硒粉和硫粉混合压靶：
将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4的圆形靶材，成型压力为6MPa；
(2)在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁：
将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5℃/min，升温至700℃后保温2h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
(3)将所得的硒硫化亚铁粉体球磨：
将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，放入球磨罐中球磨6h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体；
(4)以硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，与导电炭黑(CB)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7:2:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24h，备用。以金属锂片为负极，硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，Celgrad 2325为隔膜，1mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)为电解液组装成半电池测试材料电化学性能。
半电池在48mA/g的电流密度进行充放电循环，电压区间为1.0-3.5V。首次放电比容量为471mAh/g。
实施例2：
(1)铁粉、硒粉和硫粉混合压靶：
将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4的圆形靶材，成型压力为6MPa；
(2)在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁：
将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5℃/min，升温至700℃后保温2h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
(3)将所得的硒硫化亚铁粉体球磨
将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，放入球磨罐中球磨6h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体；
(4)以硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，与导电炭黑(CB)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7:2:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24h，备用。以金属锂片为负极，硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，Celgrad 2325为隔膜，1mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)为电解液组装成半电池。
半电池在96mA/g的电流密度进行充放电循环，电压区间为1.0-3.5V。首次放电比容量为440mAh/g。
实施例3：
(1)铁粉、硒粉和硫粉混合压靶：
将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4的圆形靶材，成型压力为6MPa；
(2)在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁：
将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5℃/min，升温至700℃后保温2h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
(3)将所得的硒硫化亚铁粉体球磨：
将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，放入球磨罐中球磨6h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体；
(4)以硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，与导电炭黑(CB)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7:2:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24h，备用。以金属锂片为负极，硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，Celgrad 2325为隔膜，1mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)为电解液组装成半电池。
半电池在240mA/g的电流密度进行充放电循环，电压区间为1.0-3.5V。首次放电比容量为397mAh/g。
实施例4：
(1)铁粉、硒粉和硫粉混合压靶：
将铁粉、硒粉和硫粉一起放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4的圆形靶材，成型压力为6MPa；
(2)在氩气保护气氛下，用管式炉烧结硒硫化亚铁：
将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5℃/min，升温至700℃后保温2h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
(3)将所得的硒硫化亚铁粉体球磨：
将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，放入球磨罐中球磨6h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体；
(4)以硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，与导电炭黑(CB)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7:2:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂，混合成浆后均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干24h，备用。以金属锂片为负极，硒硫化亚铁(Fe2SeS)为正极，Celgrad 2325为隔膜，1mol/L六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)为电解液组装成半电池测试材料电化学性能。
半电池在480mA/g的电流密度进行充放电循环，电压区间为1.0-3.5V。首次放电比容量为345mAh/g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种锂离子电池负极材料硒硫化亚铁的制备方法，其特征在于，该负极材料硒硫化亚铁的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将铁粉、硒粉和硫粉，按照摩尔比铁粉：硒粉：硫粉＝2:1.3:1.5，放入研钵中充分研磨至混合均匀，用磨具压制成型为直径1.4cm的圆形靶材，成型压力为2～10MPa；
步骤二，在将压制好的靶材放入陶瓷舟内置于管式炉中心，持续通入保护气体氩气，设置升温程序，升温速率5～10℃/min，升温至500～800℃后保温1～6h，然后自然冷却至室温，得到硒硫化亚铁粉体；
步骤三，将烧结后的硒硫化亚铁的粉体用研钵研磨均匀后，空气气氛下，放入球磨罐中球磨4～10h得到颗粒均匀的硒硫化亚铁粉体。
2.一种如权利要求1所述的负极材料硒硫化亚铁的制备方法，其特征在于，制得的硒硫化亚铁用作锂离子电池负极材料。
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