CN109768239A - 一种钠离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钠离子电池的技术领域，具体的涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。该钠离子电池负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料，将所得到的复合材料用于钠离子电池，由于其可控的合成方法和稳定的结构，使得钠离子电池的电化学容量和循环性能得到有效地改善，克服了现有电极材料的缺陷，有效提高了电池的循环性能。首先通过一步水热的方法合成硫化锑的纳米线，然后通过反应使多巴胺均匀地负荷到硫化锑纳米线上，最后通过热处理得到氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池的技术领域，具体的涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，锂离子电池成功应用于各种便携式电子设备、电动汽车、大规模的能量存储系统，但是地球上的锂离子储量不足、存储分布不均匀以及价格昂贵等因素限制了锂离子电池实际应用的进一步发展。现代社会随着科学技术的发展，对储能电池的需求越来越大，因此开发能效高、环境友好、存储丰富的储能材料是实现可持续发展的必要条件。金属钠成本低并且储量丰富，钠离子电池已经被证明是可以替代锂离子电池作为下一代储能电池的新型储能电池，作为碱性金属材料，锂和钠具有很多相似的电化学性质，但是作为电极材料，大多数可以适用于锂离子电池的电极材料并不适用于钠离子电池，因为钠离子半径远大于锂离子半径，过大的离子半径在充放电的过程中会减慢离子扩散速度并导致电极材料体积变化过大。例如石墨电极成功的应用于锂离子电池中，但是由于石墨材料的层间距太小并不适用于钠离子电池。
由于钠离子电池的潜在应用价值，陆续开发了各种应用于钠离子电池的负极材料，但是为了达到实际应用的目的，更适合的负极材料仍需要被进一步的研究。在目前的研究中，想要获得较高能量密度、长循环寿命、适合电位的负极材料仍是一个巨大的挑战。在充放电的过程中，钠离子通过不断的嵌入/脱出导致电极材料体积膨胀，造成电极材料粉化，使得电极材料从集流体上脱落并团聚，其结果是导致电池性能急剧的衰减。其中硫化锑作为一种钠离子电池的负极材料因其高的理论容量（946毫安时/克）而引起广泛的关注，但是硫化锑的电化学性能受到其导电性差以及在钠离子嵌入/脱出的过程中体积变化大缺陷的制约。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种钠离子电池负极材料及其制备方法， 该钠离子电池负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料，将所得到的复合材料用于钠离子电池，由于其可控的合成方法和稳定的结构，使得钠离子电池的电化学容量和循环性能得到有效地改善，克服了现有电极材料的缺陷，有效提高了电池的循环性能。首先通过一步水热的方法合成硫化锑的纳米线，然后通过反应使多巴胺均匀地负荷到硫化锑纳米线上，最后通过热处理得到氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料。
本发明的技术方案为： 一种钠离子电池负极材料，该负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫
化锑纳米线形成的复合材料。
所述钠离子电池负极材料的制备方法，首先通过一步水热法合成硫化锑纳米线，然后将
多巴胺均匀地负荷到硫化锑纳米线上，最后通过热处理得到氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线
复合材料。
所述钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）硫化锑纳米线的制备：首先将氯化锑和九水硫化钠分别溶于乙二醇中，得到氯化锑的
乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后将氯化锑的乙二醇溶液与九水硫化钠的乙二醇
溶液进行混合，得到的混合溶液经过搅拌形成均匀地溶液，将溶液置于高压釜中反应得到黑
色沉淀，收集洗涤干燥，备用；
（2）制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线：将所得到的硫化锑纳米线分散到三羟甲基氨基
甲烷缓冲液中并加入多巴胺，搅拌之后所得到的产物经过离心收集和冷冻干燥，然后将其置
于管式炉中煅烧，反应结束后得到的产物即所述负极材料。
所述步骤（1）中氯化锑和九水硫化钠质量比为1:2～2.2。
所述钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：
（1）硫化锑纳米线的制备：首先将0.228g氯化锑和0.48g九水硫化钠分别溶于20mL乙二
醇中，得到氯化锑的乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后在搅拌条件下将氯化锑的
乙二醇溶液滴入九水硫化钠的乙二醇溶液中进行混合，得到的混合溶液经过3h搅拌之后形
成均匀地溶液，将溶液置于50 mL以聚四氟乙烯为衬底的高压釜中，在200℃下加热10h，
冷却至室温后，通过离心收集黑色沉淀物并用去离子水和乙醇各洗涤3次，然后在-50℃条
件下冷冻干燥10h，以备进一步使用；
（2）制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线：将所得到的100mg硫化锑纳米线分散到150mL
浓度为10mmol/L的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并加入100mg多巴胺，搅拌24h之后所得到
的产物经过离心收集和在-50℃条件下冷冻干燥10h，然后将其置于管式炉中在400℃下煅烧，
保温时间为3h，反应结束冷却后得到的产物即所述负极材料。
本发明的有益效果为：本发明所述钠离子电池负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料。
所得到的一维纳米线结构硫化锑在充放电的过程中可以有效的缩短钠离子和电子扩散的距离，有利于电化学性质的提高；其次一维纳米结构可以提高电极材料和电解液的接触面积，从而加强电化学性质。
碳材料的包覆使得硫化锑纳米线在充放电的过程中保持其结构，因为碳包覆层可以作为缓冲层，缓解在充放电的过程中的体积变化，对钠离子电池的循环性能具有重要意义。
氮掺杂的碳包覆层是在热处理的过程中得到的，氮原子掺杂的碳材料作为电极材料可以提供更多的缺陷和活性空位，有利于钠离子的快速扩散，以增强其电极材料的电化学性质。
将硫化锑材料分散到碳材料中，一方面碳材料提高了整个电极材料的导电性，另一方面
碳材料可以作为硫化锑的缓冲层使其在充放电的过程中结构保持稳定。因此将硫化锑纳米结构与碳材料相结合是解决了钠离子电池负极材料的现有问题并获得高性能。
附图说明
图1为实施例1所得氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线复合材料的不同倍数扫描电镜图片。
图2为实施例1所制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线复合材料的XRD图。
图3为实施例1所得氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线复合材料与对比例1所得硫化锑纳米线作为钠离子电池负极材料分别应用于钠离子电池，在电流密度为1.0安培/克充放电条件下的电化学循环图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。其中所涉及到的原材料均从阿拉丁试剂有限公司商购获得。
实施例1
所述钠离子电池负极材料，该负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料。
所述钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：
（1）硫化锑纳米线的制备：首先将0.228g氯化锑和0.48g九水硫化钠分别溶于20mL乙二
醇中，得到氯化锑的乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后在搅拌条件下将氯化锑的
乙二醇溶液滴入九水硫化钠的乙二醇溶液中进行混合，得到的混合溶液经过3h搅拌之后形成均匀地溶液，将溶液置于50 mL以聚四氟乙烯为衬底的高压釜中，在200℃下加热10h，冷却至室温后，通过离心收集黑色沉淀物并用去离子水和乙醇各洗涤3次，然后-50℃条件下冷冻干燥10h，以备进一步使用；
（2）制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线：将所得到的100mg硫化锑纳米线分散到150mL浓度为10mmol/L的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并加入100mg多巴胺，搅拌24h之后所得到
的产物经过离心收集和-50℃条件下冷冻干燥10h，然后将其置于管式炉中在400℃下煅烧，保温时间为3h，反应结束冷却后得到的产物即所述负极材料。
由图1可见，制备所得到的复合材料是形状均匀的纳米线结构，碳包覆的纳米线长达几个微米。
由图2可见，所制备的样品的峰与PDF标准卡片中的硫化锑峰完全一致，是所需的电极材料。
对比例1
所述钠离子电池负极材料的制备方法，具体步骤如下：
硫化锑纳米线的制备：首先将0.228g氯化锑和0.48g九水硫化钠分别溶于20mL乙二
醇中，得到氯化锑的乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后在搅拌条件下将氯化锑的
乙二醇溶液滴入九水硫化钠的乙二醇溶液中进行混合，得到的混合溶液经过3h搅拌之后形成均匀地溶液，将溶液置于50 mL以聚四氟乙烯为衬底的高压釜中，在200℃下加热10h，冷却至室温后，通过离心收集黑色沉淀物并用去离子水和乙醇各洗涤3次，然后-50℃条件下冷冻干燥10h。
通过图3可见，相对于对比例1没有碳包覆层的硫化锑纳米线来说，实施例1所得氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线作为负极材料应用于钠离子电池的比容量更高、更稳定。经过100个循环之后，实施例1的比容量仍高达648毫安时/克。
Claims (5)
1.一种钠离子电池负极材料，其特征在于，该负极材料为氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线形成的复合材料。
2.一种权利要求1所述钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，首先通过一步水热法合成硫化锑纳米线，然后将多巴胺均匀地负荷到硫化锑纳米线上，最后通过热处理得到氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线复合材料。
3.根据权利要求2所述钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）硫化锑纳米线的制备：首先将氯化锑和九水硫化钠分别溶于乙二醇中，得到氯化锑的
乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后将氯化锑的乙二醇溶液与九水硫化钠的乙二醇
溶液进行混合，得到的混合溶液经过搅拌形成均匀地溶液，将溶液置于高压釜中反应得到黑
色沉淀，收集洗涤干燥，备用；
（2）制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线：将所得到的硫化锑纳米线分散到三羟甲基氨基
甲烷缓冲液中并加入多巴胺，搅拌之后所得到的产物经过离心收集和冷冻干燥，然后将其置
于管式炉中煅烧，反应结束后得到的产物即所述负极材料。
4.根据权利要求3所述钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中氯
化锑和九水硫化钠质量比为1:2～2.2。
5.根据权利要求3所述钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
（1）硫化锑纳米线的制备：首先将0.228g氯化锑和0.48g九水硫化钠分别溶于20mL乙二
醇中，得到氯化锑的乙二醇溶液和九水硫化钠的乙二醇溶液；然后在搅拌条件下将氯化锑的
乙二醇溶液滴入九水硫化钠的乙二醇溶液中进行混合，得到的混合溶液经过3h搅拌之后形
成均匀地溶液，将溶液置于50 mL以聚四氟乙烯为衬底的高压釜中，在200℃下加热10h，
冷却至室温后，通过离心收集黑色沉淀物并用去离子水和乙醇各洗涤3次，然后在-50℃条
件下冷冻干燥10h，以备进一步使用；
（2）制备氮掺杂的碳层包覆硫化锑纳米线：将所得到的100mg硫化锑纳米线分散到150mL
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