CN108365189A - 一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子交换法制备金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的方法，该方法是将湿法纺制得到的海藻酸钙纤维与过渡金属进行离子交换，将交换出来的海藻纤维取出烘干，经管式炉氩气下碳化后再进行硫化(密封条件下)制得。所得的中空金属硫化物复合的一维纤维材料具有较高的比容量，循环稳定性和倍率性能。该制备方法所用海藻纤维为生物质材料，是绿色环保的纤维新材料，而且制备方法简单，是非常有发展前景的能源材料。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池材料领域，具体涉及一种离子交换方法以及密封硫化的方法制备一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
金属硫化物作为钠离子电池负极，具有可逆容量高，安全性高，对环境无污染等优点，被认为是钠离子电池负极材料的理想选择。但是钠离子的半径较大，在充放电过程中电极体积膨胀大，因此将金属硫化物与碳材料复合，增加其导电性，缓解体积膨胀。然而金属硫化物与碳材料的复合在作为钠离子电池负极时还存在许多的挑战，比如循环稳定性和循环寿命等，这些都制约着金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料在大型电动设备中的广泛应用。
考虑到以上等问题，本发明利用海藻纤维为基底，首先海藻纤维是利用从天然海藻中提取的海藻酸为原料，通过湿法纺丝制得的一种绿色的高性能纤维，其次海藻纤维中的羧基和羟基能够与铁离子形成稳定的蛋盒结构螯合物，二者体现了很好的结合能力，经高温处理后纤维骨架的碳，氮，氢会热分解，同时通过密封硫化是金属在硫气氛中形成硫化铁，从而形成这种金属硫化物钠离子的负极材料，该材料的碳微管结构不仅提供了更有效的电极电解液接触面积，而且为钠离子的传输提供了更短的路径，从而有效提高这种金属硫化物钠离子负极材料的倍率性。其次，纤维的碳结构能够缓冲由于钠离子反复脱嵌时产生的造成材料晶格体积变化产生的压力，有利于提高材料的循环稳定性。因此，这种金属硫化物粗纤维复合的钠离子负极材料将是一个可行的提高负极材料比容量、倍率性和循环稳定性性的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服钠离子电池负极材料存在的衰减较快，倍率性能较差，稳定性较差等缺点，寻求制备一种绿色的高比容量，高倍率性和高稳定性的一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料。
本发明提出的一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的制备方法，制作过程包括以下步骤：
1)3g海藻酸钙纤维与200mL浓度为1mol/L的盐酸溶液经40min超声(重复5次)处理进行离子交换，交换掉海藻酸钙纤维中的钙离子。
2)将步骤1处理好的海藻酸纤维加入到0.2mol/L的乙酸钴活硝酸镍溶液中充分混合，使得纤维与钴离子或者镍离子发生离子交换。得到负载只有钴离子或者镍离子的纤维前驱体。
3)将步骤2的纤维前驱体在管式炉中氩气中高温煅烧(900℃，2小时)，得到碳纤维。
4)将步骤3的产物进行硫化(700℃，2小时)，得到具有中空结构的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料。
本发明使用的原料主要是红藻中提取的海藻纤维，原料来源广泛、环保绿色、安全性高。
本发明方法制备的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料，可用作性能优异的钠离子电池负极材料，具有较高倍率性能和良好的稳定性。
本发明方法制备的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的制备方法可大量合成，不需要昂贵设备，可广泛用于钠离子电池中。
附图说明
图1是具体实施例2得到的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的SEM图。
图2是具体实施例2得到的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料长循环性能图。在循环600圈之后，电池的比容量仍保持在88％。
图3是具体实施例1得到的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料在不同的电流密度下的倍率性能，在电流密度返回到0.1A/g时，容量也随之增加，证明了较好的倍率性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例一：称取3g海藻酸钙纤维，用去离子水浸泡清洗一次，将清洗过的海藻酸钙纤维浸泡在200mL去离子水配置成的浓度为1mol/L的盐酸溶液中，在超声处理40分钟，超声完成后过滤，再浸泡到盐酸中，重复五次。随后将海藻酸纤维加入到200mL去离子水配置成的浓度为0.2mol/L的乙酸钴溶液中，浸渍3h，之后在烘箱中烘干。将纤维在管式炉中升温到900℃，升温速率为2℃/min，氩气中煅烧之后用硫代乙酰胺作为硫源进行硫化，后冷却到室温，得到具有中空结构的硫化钴@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料。
实施例二：称取3g海藻酸钙纤维，用去离子水浸泡清洗一次，将清洗过的海藻酸钙纤维浸泡在200mL去离子水配置成的浓度为1mol/L的盐酸溶液中，在超声处理40分钟，超声完成后过滤，再浸泡到盐酸中，重复五次。随后将海藻酸纤维加入到200mL去离子水配置成的浓度为0.2mol/L的硝酸镍溶液中，浸渍3h，之后在烘箱中烘干。将纤维在管式炉中升温到900℃，升温速率为2℃/min，氩气中煅烧之后用硫代乙酰胺作为硫源进行硫化，后冷却到室温，得到具有中空结构的硫化镍@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料。
应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。
Claims (5)
1.一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
1)把一定量的过渡金属盐加入到蒸馏水中，搅拌后得到供离子交换的水溶液。
2)将酸洗后的海藻纤维放入含有过渡金属的水溶液中供离子交换。
3)烘干后的纤维在管式炉中经一定的碳化工艺煅烧，得到一维碳纤维。
4)将得到的一维碳纤维在管式炉中进行硫化，得到具有中空结构的一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料。
5)将得到的金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料、乙炔黑、PVDF均匀混合之后，加入一定量的2-甲基吡咯烷酮形成悬浊液；然后，均匀涂到铜箔上备用。
6)用电化学工作站和蓝点测试系统测试上述产物的电化学性能。
2.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述过渡金属盐溶液浓度为0.2mol/L(200mL)。
3.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述碳化工艺为900℃煅烧2小时，煅烧气氛为氩气。
4.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述硫化过程在真空环境下惊醒，硫代乙酰胺与样品的质量比为1∶10。
5.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述具有中空结构的一种金属硫化物@碳纤维复合材料钠离子电池负极材料、乙炔黑、PVDF质量比为8∶1∶1。
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| CN111146424A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-12 | 上海交通大学 | 一种金属硫化物/碳复合材料及其制备方法及其应用 |
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2018
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