CN109713287B - 一种聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料的方法，其制备方法包括以下步骤：将一定体积的噻吩单体分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液A；将一定量的引发剂FeCl3分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液B；再将上述的分散液A与分散液B转移到圆底烧瓶中，于55～80℃下进行回流反应2～10 h后，加入一定体积的甲醇溶液，再继续回流反应24～72 h，得到红棕色混合浊液；将得到的红棕色混合浊液进行离心洗涤，然后在60～100℃下干燥，获得固体产物；最后将获得的固体产物在500～800℃惰性气体保护气氛下煅烧1～10 h，获得硫掺杂碳材料。本发明制备出的硫掺杂碳钠离子电池负极材料具有良好的钠存储性能，且制备工艺简单，有望成为实用化的钠离子电池负极材料。

Description

一种聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料
技术领域
本发明属于钠离子电池电极材料的制备领域，涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
目前，锂离子电池已经广泛的应用在各种便捷设备上，比如手机、笔记本、电动汽车等。但是锂资源分布不均，存储量越来越少等问题，使得人们开始迫切的需要寻找新的可替换锂离子电池的储能器件。
金属钠的资源丰富、分布广泛，且与金属锂属于同一主族金属，具有相似的物理、化学性能，使得钠离子电池最有可能成为锂离子电池的替代品。由于钠离子半径要远远大于锂离子半径，钠离子很难自由的在石墨类材料中嵌入、脱出，目前商业化锂离子电池的石墨负极材料不能适用于钠离子电池，因此开展钠离子电池负极材料的研究意义重大。
硫掺杂被认为是改善钠离子电池碳类负极材料电化学性能的一种有效的办法，而引起研究人员的广泛关注。但是传统的硫掺杂碳材料制备过程复杂，副产物多，对环境不友好，这阻碍了它在钠离子电池中的应用。本发明采用一步噻吩聚合并通过随后煅烧得到网络状的硫掺杂碳材料，制备过程简单，环境友好，为制备钠离子电池负极材料提供了一种新的思路。
发明内容
本发明目的是利用聚合的方法制备硫掺杂碳钠离子电池负极材料，该方法制备出的硫掺杂碳钠离子电池负极材料具有网状结构，用于钠离子电池负极材料时，有利于钠离子的嵌入和脱出，具有良好的电化学性能。
本发明所述聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料的制备方法，具体包括下列步骤：
（1）将一定体积的噻吩单体分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液A；
（2）将一定量的引发剂FeCl3分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液B；
（3）将步骤（1）所述的分散液A与步骤（2）所述的分散液B，转移到圆底烧瓶中，于55~80℃下回流2~10 h后，加入一定体积的甲醇溶液（甲醇溶液与氯仿的比例为：1～3∶1），再继续回流反应24～72 h，得到红棕色混合浊液；
（4）将步骤（3）中得到的混合浊液进行离心洗涤后在60～100℃下干燥，获得固体产物；
（5）将步骤（4）中获得的固体产物在500～800℃惰性气体保护气氛下煅烧1～10h，获得硫掺杂碳复合负极材料。
优选的，所述步骤（1）中，噻吩单体的体积为100～300 uL，氯仿的体积为25～100mL，超声时间为20～40 min。
优选的，所述步骤（2）中，引发剂 FeCl3与噻吩单体的物质的量之比为3～5：1，氯仿的体积为25～100 mL，超声时间为20~40 min。
优选的，所述步骤（3）中，甲醇溶液的体积为50～500 mL。
优选的，所述步骤（4）中，离心洗涤是用甲醇离心洗涤。
优选的，所述步骤（5）中，惰性气体为氮气或氩气。
本发明的有益效果在于：该方法制备出的硫掺杂碳材料是网络状的结构。并且通过该方法制备出的硫掺杂碳复合材料能够有效的提高钠离子电池负极材料的电子导电率和离子导电率，具有良好的电化学性能。
附图说明
图1是实施例1中样品的XRD图谱。
图2是实施例2中样品的SEM图谱。
图3是实施例2中钠离子电池负极材料硫掺杂碳的首周充放电曲线。
图4是实施例3中钠离子电池负极材料硫掺杂碳的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明,但是实施例不会构成对本发明的限制。
实施例1：将100 uL的噻吩单体分散到25 mL的氯仿中，在超声波作用下，超声20min，形成稳定的分散液A；将0.81g引发剂FeCl3分散到25 mL的氯仿中（引发剂 FeCl3与噻吩单体的物质的量之比为3：1），在超声波作用下，超声20 min，形成稳定的分散液B；将分散液A和分散液B转移到圆底烧瓶中，于65℃下进行回流反应4 h后，加入50 mL的甲醇溶液，再继续回流反应48 h，得到红棕色混合浊液；将得到的红棕色混合浊液进行离心洗涤，然后在70℃下干燥，获得固体产物；最后将获得的固体产物在600℃氩气保护气氛下煅烧3 h，获得硫掺杂碳复合负极材料。硫掺杂碳复合负极材料在100 mA g-1电流密度下首次放电容量为638.5 mAh/g。
图1是实施例1中获得的硫掺杂碳复合负极材料的XRD图谱，从图中可以看出，硫掺杂碳复合负极材料在XRD图谱上没有明显的特征峰，表明材料为无定形态。
实施例2：将200 uL的噻吩单体分散到50 mL的氯仿中，在超声波作用下，超声30min，形成稳定的分散液A；将1.5 g引发剂FeCl3分散到50 mL的氯仿中（引发剂 FeCl3与噻吩单体的物质的量之比为4：1），在超声波作用下，超声20 min，形成稳定的分散液B；将分散液A和分散液B转移到圆底烧瓶中，于65℃下进行回流反应4 h后，加入200 mL的甲醇溶液，再继续回流反应24 h，得到红棕色混合浊液；将得到的红棕色混合浊液进行离心洗涤，然后在80℃下干燥，获得固体产物；最后将获得的固体产物在700℃氩气保护气氛下煅烧4 h，获得硫掺杂碳复合负极材料。
图2是实施例2中获得的硫掺杂碳复合负极材料的SEM图谱，从中可以看出，所得的硫掺杂碳复合负极材料为网络状结构。
图3是实施例2中获得的硫掺杂碳复合负极材料的首周充放电曲线。从中可以看出，硫掺杂碳复合负极材料的首次放电容量为686.3 mAh/g。
实施例3：将300 uL的噻吩单体分散到75 mL的氯仿中，在超声波作用下，超声40分钟，形成稳定的分散液A；将2.43 g引发剂FeCl3分散到75 mL的氯仿中（引发剂 FeCl3与噻吩单体的物质的量之比为4∶1），在超声波作用下，超声20 min，形成稳定的分散液B；将分散液A和分散液B转移到圆底烧瓶中，于80 ℃下进行回流反应4 h后，加入450 mL的甲醇溶液，再继续回流反应72 h，得到红棕色混合浊液；将得到的红棕色混合浊液进行离心洗涤，然后在80℃下干燥，获得固体产物；最后将获得的固体产物在800℃氩气保护气氛下煅烧6 h，获得硫掺杂碳复合负极材料。硫掺杂碳复合负极材料在100 mA/g电流密度下循环100周后容量保持在240.5 mAh/g。
图4是实施例3中获得的硫掺杂碳复合负极材料的循环性能曲线。从中可以看出，硫掺杂碳复合负极材料在100 mA/g电流密度下，循环100次后容量无明显衰减。

Claims (6)

1.一种聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料具有网络状结构，在100 mA/g电流密度下首次放电容量为686.3 mAh/g，在100 mA/g电流密度下循环100周后容量保持在240.5 mAh/g；
其制备方法包括如下步骤：
（1）将一定体积的噻吩单体分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液A；
（2）将一定量的引发剂FeCl3分散到一定体积的氯仿中，在超声波作用下形成稳定的分散液B；
（3）将步骤（1）所述的分散液A与步骤（2）所述的分散液B转移到圆底烧瓶中，于55～80℃下回流2～10 h后，加入一定体积的甲醇溶液，甲醇溶液与氯仿的比例为：1～3∶1，再继续回流反应24～72h，得到红棕色混合浊液；
（4）将步骤（3）中得到的混合浊液进行离心洗涤后在60～100℃下干燥，获得固体产物；
（5）将步骤（4）中获得的固体产物在500～800℃惰性气体保护气氛下煅烧1～10 h，获得硫掺杂碳复合负极材料。
2.根据权利要求1所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，其特征在于步骤（1）所述噻吩单体的体积为100～300μL，氯仿的体积为25～100mL，超声时间为20～40分钟。
3.根据权利要求1所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，其特征在于步骤（2）所述引发剂 FeCl3与噻吩单体的物质的量之比为3～5∶1，氯仿的体积为25～100mL，超声时间为20～40分钟。
4.根据权利要求1所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，其特征在于步骤（3）所述甲醇溶液的体积为50～500 mL。
5.根据权利要求1所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，其特征在于步骤（4）所述离心洗涤是用甲醇离心洗涤。
6.根据权利要求1所述的聚噻吩衍生硫掺杂碳钠离子电池负极材料，其特征在于步骤（5）所述惰性气体为氮气或氩气。
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