CN110993941B - 一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备方法，所述方法先制备四氧化三铁空心球，再利用气相沉积法制备碳包覆四氧化三铁空心球，最后进行硫化制备碳包覆硫化铁空心球复合材料用作钾离子电池负极材料的制备方法。采用本发明所述方法制得的材料既能通过脱嵌机制进行储钾，又能通过界面储钾机制进行储钾；既有导电性三维碳网络作为电子、离子快速传输通道，又有大的比表面提供大量的活性储钾位点，由此提供高能量密度和高功率密度。

Description

一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种用于钾离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种先制备四氧化三铁空心球，再利用气相沉积法制备碳包覆四氧化三铁空心球，最后进行硫化制备碳包覆硫化铁空心球复合材料用作钾离子电池负极材料的制备方法，属于材料化学领域。
背景技术
能源和环境是人类社会可持续发展所涉及的两大永恒主题。面对能源及环境问题，新型清洁能源技术特别是储能技术被认为是有效途径之一。与传统的镍氢电池、铅酸电池相比，碱金属离子(Li+/Na+/K+)电池具有更高的能量密度和环境友好性，在清洁能源储存领域具有广阔的应用前景。其中锂离子电池因其环境友好性、安全性及高能量密度和长使用寿命等优点，被广泛应用于通讯设备、电子设备及电动汽车等领域。但是由于锂资源的分布不均及储量较少，价格较高，其在大规模储能领域的应用受到限制。相比而言，钠和钾资源非常丰富，广泛存在于地壳和海洋之中，价格也更加低廉。并且，钠/钾和锂属于同一主族元素，化学性质相近，工作原理相似。因此，钠离子和钾离子电池被认为是锂离子电池之外最有发展前景的可替代储能技术，特别是在对成本和资源要求较高的大规模储能领域。
近年来钠离子电池受到大量的关注和发展，正负极和相关电池材料都取得了较大的进展。而作为同样适合于大规模储能领域的钾离子电池，受到的研究相对较少。最近几年国内外关于钾离子正极材料的研究取得了较好的进展。而负极材料方面，近年来受到越来越多的关注。其中研究较为广泛的有碳基负极材料。碳基负极材料主要为石墨，软碳和硬碳材料，但是由于钾离子半径较大，在石墨层间的嵌入/脱出活性不高，倍率性能较差。硬碳材料多为非晶结构，储钾倍率性能更高。但是其循环寿命和倍率性能仍不够理想，仍有待进一步的改进和提高。
发明内容
本发明的目的为针对现有技术的缺陷和存在的实际比容量较低、倍率性能较差、循环寿命较短的问题，提供一种钾离子电池负极材料及其制备方法，本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步制备四氧化三铁空心球：
取适量的硝酸铁、甘油，溶于一定量的异丙醇中，搅拌均匀，随后加入适量去离子水，搅拌均匀，转移至反应釜中，200-220℃保温反应12-24小时，随后随炉冷却，离心获得前驱体产物，并用去离子水与乙醇各洗涤三次，置于60℃烘箱中烘干。随后将其转移至管式炉中高温煅烧h，随炉冷却获得四氧化三铁空心球。
进一步地，所述第一步中硝酸铁与异丙醇摩尔体积比为1：50-150mol/mL,甘油与异丙醇中体积比为1:2.5-10，加入异丙醇与去离子水体积比为1:10-100。
进一步地，所述第一步中管式炉内高温煅烧升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为400-500℃，保温时间为4-6h。
第二步制备碳包覆四氧化三铁空心球：
将第一步中制得的四氧化三铁空心球置于管式炉中，升温至500-700℃，待温度恒定后同时通入乙炔与氢气混合气体，持续通入一定时间后关闭氢气和乙炔，在氩气气氛下自然冷却，得到碳包覆四氧化三铁空心球。
进一步地，所述第二步中管式炉内高温煅烧升温速率为0.5-1℃/min；
进一步地，所述第二步中，所述四氧化三铁空心球的质量为0.1～1g，氢气流速为100-300mL/min,乙炔流速为10-50mL/min，持续通入时间为1-3min。
第三步制备碳包覆硫化铁空心球
将第二步制得的碳包覆四氧化三铁空心球与硫粉按照质量比1:3-5混合并研磨均匀，随后将其转移至反应釜中，150-200℃条件下反应12-24h，冷却后取出产物研磨均匀，转移至管式炉中高温煅烧，随后随炉冷却，得到空心球状碳包覆硫化铁复合材料，用作钾离子电池负极材料。
进一步地，所述第三步中管式炉内高温煅烧温度为300-500℃，保温时间3-6h。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供了一种用于钾离子电池的碳包覆硫化铁空心球负极材料。所述材料具有插钾后的体积膨胀小，结构稳定性高，循环性能稳定，倍率性能好，且充放电库伦效率和安全性高等优点；所述碳包覆硫化铁空心球负极材料成本低廉，易于大规模生产，并可以直接用于钾离子二次电池等领域。
(2)本发明制备的硫化铁具有空心球结构，用于钾离子电池时，空心球具有杰出的结构优势，壳层上均匀的孔道确保了电解液可以方便地进入多壳层内部，使得电解液与活性物质充分的接触，提供更多的氧化活性位点，在高电流密度下获得更高的比容量。内部的自由体积可以缓解在充放电过程中材料的膨胀，加上材料良好的机械性能，空心结构材料拥有良好的循环寿命。本发明在硫化铁空心球表面存在的碳包覆层不仅为电极材料导电性提供了保障，而且提升了结构整体的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为实施例1所制得钾离子电池负极材料放电比容量循环图。
具体实施方式
实施例1：
第一步制备四氧化三铁空心球：
取0.8mol硝酸铁，15ml甘油，溶于80mL异丙醇中，搅拌均匀，随后加入2mL去离子水，搅拌均匀后转移至反应釜中，210℃保温反应12小时，随后随炉冷却，离心获得前驱体产物，并用去离子水与乙醇各洗涤三次，置于60℃烘箱中烘干。随后将其转移至管式炉中，在氩气气氛下升温至450℃，升温速率为2℃/min，保温5小时，随后随炉冷却获得四氧化三铁空心球。
第二步制备碳包覆四氧化三铁空心球：
将第一步制备得到的四氧化三铁空心球0.3g置于管式炉中，在氩气气氛下以1℃/min的升温速率升温至600℃，待温度恒定后同时通入乙炔与氢气混合气体，其中，氢气流速为200mL/min,乙炔流速为30mL/min，持续通入2min，完成后关闭氢气和乙炔，在氩气气氛下自然冷却，得到碳包覆四氧化三铁空心球。
第三步制备碳包覆硫化铁空心球：
将第二步中制得的碳包覆四氧化三铁空心球与硫粉按照质量比1:4混合并研磨均匀，随后将其转移至反应釜中，180℃条件下反应18h，冷却后取出产物研磨均匀，转移至管式炉中，氩气气氛下升温至400摄氏度，保温4h，随后随炉冷却，得到碳包覆硫化铁空心球，用作钾离子电池负极材料。
实施例2：
第一步制备四氧化三铁空心球：
取1mol硝酸铁，20ml甘油，溶于100mL异丙醇中，搅拌均匀，随后加入5mL去离子水，搅拌均匀，转移至反应釜中，220℃保温反应24小时，随后随炉冷却，离心获得前驱体产物，并用去离子水与乙醇各洗涤三次，置于60℃烘箱中烘干。随后将其转移至管式炉中，在氩气气氛下升温至500℃，升温速率为5℃/min，保温6小时，随后随炉冷却获得四氧化三铁空心球。
第二步制备碳包覆四氧化三铁空心球：
将第一步制备得到的四氧化三铁空心球0.3g置于管式炉中，在氩气气氛下以1℃/min的升温速率升温至700℃，待温度恒定后同时通入乙炔与氢气混合气体，其中，氢气流速为300mL/min,乙炔流速为50mL/min，持续通入3min，完成后关闭氢气和乙炔，在氩气气氛下自然冷却，得到碳包覆四氧化三铁空心球。
第三步制备碳包覆硫化铁空心球：
将制备得到的碳包覆四氧化三铁空心球与硫粉按照质量比1:5混合并研磨均匀，随后将其转移至反应釜中，200℃条件下反应24h，冷却后取出产物研磨均匀，转移至管式炉中，氩气气氛下升温至500摄氏度，保温6h，随后随炉冷却，得到碳包覆硫化铁空心球，用作钠离子电池负极材料。
实施例3：
第一步制备四氧化三铁空心球：
取0.6mol硝酸铁，10ml甘油，溶于50mL异丙醇中，搅拌均匀，随后加入1mL去离子水，搅拌均匀，转移至反应釜中，200℃保温反应12小时，随后随炉冷却，离心获得前驱体产物，并用去离子水与乙醇各洗涤三次，置于60℃烘箱中烘干。随后将其转移至管式炉中，在氩气气氛下升温至400℃，升温速率为1℃/min，保温4小时，随后随炉冷却获得四氧化三铁空心球。
第二步制备碳包覆四氧化三铁空心球：
将第一步制备得到的四氧化三铁空心球0.3g置于管式炉中，在氩气气氛下以0.5℃/min的升温速率升温至500℃，待温度恒定后同时通入乙炔与氢气混合气体，其中，氢气流速为100mL/min,乙炔流速为10mL/min，持续通入1min，完成后关闭氢气和乙炔，在氩气气氛下自然冷却，得到碳包覆四氧化三铁空心球。
第三步制备碳包覆硫化铁空心球：
将制备得到的碳包覆四氧化三铁空心球与硫粉按照质量比1:3混合并研磨均匀，随后将其转移至反应釜中，150℃条件下反应12h，冷却后取出产物研磨均匀，转移至管式炉中，氩气气氛下升温至300摄氏度，保温3h，随后随炉冷却，得到碳包覆硫化铁空心球，用作钠离子电池负极材料。

Claims (6)

1.一种空心球状碳包覆硫化铁复合钾离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步制备四氧化三铁空心球：
取硝酸铁、甘油，溶于异丙醇中，搅拌均匀，随后加入去离子水，搅拌均匀，转移至反应釜中，200-220℃保温反应12-24小时，随后随炉冷却，离心获得前驱体产物，并用去离子水与乙醇各洗涤三次，置于60℃烘箱中烘干，随后将其转移至管式炉中煅烧，随炉冷却获得四氧化三铁空心球；
第二步制备碳包覆四氧化三铁空心球：
将第一步中制得的四氧化三铁空心球置于管式炉中煅烧，升温至500-700℃，待温度恒定后同时通入乙炔与氢气混合气体，持续通气后关闭氢气和乙炔，在氩气气氛下自然冷却，得到碳包覆四氧化三铁空心球；
第三步制备碳包覆硫化铁空心球
将第二步制得的碳包覆四氧化三铁空心球与硫粉按照质量比1:3-5混合并研磨均匀，随后将其转移至反应釜中，150-200℃条件下反应12-24h，冷却后取出产物研磨均匀，转移至管式炉中煅烧，随后随炉冷却，得到碳包覆硫化铁空心球，用作钾离子电池负极材料。
2.根据权利要求1中所述方法，其特征在于所述第一步中硝酸铁与异丙醇摩尔体积比为1：50-150 mol/mL, 甘油与异丙醇体积比为1:2.5-10，加入异丙醇与去离子水体积比为1:10-100。
3.根据权利要求1中所述方法，其特征在于所述第一步中管式炉内煅烧升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为400-500℃，保温时间为4-6h。
4.根据权利要求1中所述方法，其特征在于所述第二步中管式炉内煅烧升温速率为0.5-1℃/min。
5.根据权利要求1中所述方法，其特征在于所述第二步中，所述四氧化三铁空心球的质量为0.1-1g，氢气流速为100-300mL/min,乙炔流速为10-50mL/min，持续通入时间为1-3min。
6.根据权利要求1中所述方法，其特征在于所述第三步中管式炉内煅烧温度为300-500℃，保温时间3-6h。
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