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CN111129469A - 一种FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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汪伟文
王愿习
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Abstract

本发明提供了一种FexOy‑FeS2‑z复合材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：将FexOy粉末于温度为300～900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1～8h，随炉冷却，即得到FexOy‑FeS2‑z复合材料。本发明所述的复合材料可应用于高性能锂离子电池，该复合材料稳定性良好，电子导电率较高，作为锂离子电池负极材料具有高的比容量、高的倍率性能和优异的循环稳定性。

Description

一种FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料合成和电化学领域，尤其是涉及一种FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池具有高比能量、高充放电效率和长寿命等优点，是目前最具有应用前景的化学电源之一。目前，商业上普遍使用石墨作为锂离子电池的负极材料，其理论比容量较低(372mAh g-1)，已经无法满足人们对高能量密度锂离子电池的需求。因此，目前很多研究者一直在致力于寻找新型的电极材料以提高锂离子电池的容量、快速充放电能力、安全性和循环寿命。在这其中，铁基氧化物具有非常高的理论比容量(～900mAh g-1)、低成本、资源丰富、无污染等优点引起人们的研究兴趣，成为近年来负极材料的研究热点之一。然而铁基氧化物导电性较差，在充放电过程中存在较大的体积变化导致电极结构退化、容量迅速下降和循环性能较差，严重制约了其在锂离子电池中的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用，以解决铁基氧化物导电性较差，在充放电过程中存在较大的体积变化导致电极结构退化、容量迅速下降和循环性能较差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种FexOy-FeS2-z复合材料，所述复合材料包括FexOy粉末，所述FexOy粉末的表面包覆有FeS2-z。
进一步的，所述的FexOy粉末为Fe2O3粉末或Fe3O4粉末。
进一步的，所述FexOy-FeS2-z复合材料中z的取值范围为0～1。
上述FexOy-FeS2-z复合材料的制备方法，包括以下步骤：将FexOy粉末于温度为300～900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1～8h，随炉冷却，即得到 FexOy-FeS2-z复合材料。
上述FexOy-FeS2-z复合材料在作为锂离子电池负极材料中的应用。
一种锂离子电池的负极的制备方法，包括如下步骤：将上述的 FexOy-FeS2-z复合材料与导电剂、黏合剂混合均匀并涂覆在金属集流体上即制得锂离子电池的负极，其中，金属集流体为铜箔，FexOy-FeS2-z复合材料中 FexOy的质量百分数为50％～98％。
相对于现有技术，本发明所述的FexOy-FeS2-z复合材料及其制备方法和应用具有以下优势：
(1)本发明所述的FexOy-FeS2-z复合材料的制备方法操作简单，重复性好，产物高纯，适合大规模生产，原料便宜且易获得，环境友好。
(2)本发明制备方法制备而得的复合材料可应用于高性能锂离子电池，该复合材料稳定性良好，电子导电率较高，作为锂离子电池负极材料具有高的比容量、高的倍率性能和优异的循环稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料的SEM图
图2为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料的TEM图
图3为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料的XRD图
图4为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料的XPS图
图5为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料S 2p高分辨XPS图
图6为本发明实施例1中FexOy-FeS2-z复合材料的循环性能图
图7为本发明实施例2中FexOy-FeS2-z复合材料的XRD图
图8为本发明对比例1中样品的循环性能图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1
一种FexOy-FeS2-z复合材料的制备方法，具体步骤如下：
Fe3O4粉末于温度为900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1h，随炉冷却，即可以得到FexOy-FeS2-z复合材料。
FexOy-FeS2-z复合材料在锂电池负极中的应用：将FexOy-FeS2-z复合材料、乙炔黑(20wt％)和聚偏二氟乙烯(PVDF)按照质量比为8:1:1的比例分散在 N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中并研磨直至混合。然后将浆料涂覆在Cu箔集流体上，并转移到80℃真空烘箱中干燥12小时即得到锂电池负极。利用本实施例的锂电池负极、金属锂对电极、电解液1M LiPF6-EC/DEC(v:v＝1:1) 和PP/PE/PP隔膜(Celgard 2400)，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，并在电池测试系统中测试电池的性能。充放电电流密度设置为100mA/g，充放电截止电压限为0.01～3.0V。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料的SEM图如图1所示，从图1中可知， FexOy-FeS2-z复合材料粒子十分均一，约1～2μm之间。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料的TEM图如图2所示，从图2中可知，所制备的FeS2-x-C复合材料中FeS2-z十分均匀的包覆在FeS2-x材料的表面。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料的XRD图如图3所示，从图3中可知， FexOy-FeS2-z复合材料中的FexOy为Fe3O4，与标准卡片PDF#89-0590相符合。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料的XPS图如图4所示，从图4可知， FexOy-FeS2-z复合材料XPS图谱中存在S元素2s和2p的光谱峰，说明Fe3O4表面包覆层是FeS2-z。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料S 2p高分辨XPS图如图5所示，从图5 可知，分别为，谱图中存在161.5和167.5eV两个峰，分别对于S 2p3/2和S 2p1/2，属于FeS的特征峰。说明Fe3O4表面包覆层FeS2-z中的z＝1。
本实施例FexOy-FeS2-z复合材料的充放电循环图如图6所示，从图6可知，FexOy-FeS2-z复合材料在100mA/g电流密度下充放电循环，按FexOy-FeS2-z复合材料计算，首圈放电比容量高达1084mAh/g，循环900圈后容量依旧保持在662mAh/g。
实施例2
制备方法同实施例1，仅将Fe3O4粉末改为Fe2O3，其余步骤均同实施例 1，得到的FexOy-FeS2-z复合材料，其中FexOy为Fe2O3，FeS2-z中的z＝1。
实施例3
制备方法同实施例2，仅将900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1h改为350℃煅烧8h，其余步骤均同实施例2，如图7所示，FexOy-FeS2-z复合材料的各个主要衍射峰和Fe2O3标准卡片PDF#86-2368很好地吻合，说明 FexOy-FeS2-z复合材料中的FexOy为Fe2O3，在28.5°出现的一个杂峰应归属于FeS2(PDF#42-1340)的(111)相，进一步分析可知Fe2O3表面包覆层FeS2-z中的z＝0。
实施例4
制备方法同实施例1，仅将900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1h改为500℃煅烧3h，其余步骤均同实施例1，得到的FexOy-FeS2-z复合材料，其中FexOy为Fe3O4，FeS2-z中的z＝2/3。
实施例5
制备方法同实施例1，仅将900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1h改为600℃煅烧3h，其余步骤均同实施例1，得到的FexOy-FeS2-z复合材料，其中FexOy为Fe3O4，FeS2-z中的z＝6/7。
对比例1
制备方法同实施例1，仅将硫化氢气体氛围条件下煅烧改为惰性气体氛围条件下煅烧，其余步骤均同实施例1，得到的材料实验测试结果相当差，容量衰减特别快，循环几圈后材料放电容量就基本上接近于0，具体结果如图8所示。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种FexOy-FeS2-z复合材料，其特征在于：所述复合材料包括FexOy粉末，所述FexOy粉末的表面包覆有FeS2-z。
2.根据权利要求1所述的FexOy-FeS2-z复合材料，其特征在于：所述的FexOy粉末为Fe2O3粉末或Fe3O4粉末。
3.根据权利要求1所述的FexOy-FeS2-z复合材料，其特征在于：所述FexOy-FeS2-z复合材料中z的取值范围为0～1。
4.一种权利要求1-3任一所述的FexOy-FeS2-z复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将FexOy粉末于温度为300～900℃、硫化氢气体氛围条件下煅烧0.1～8h，随炉冷却，即得到FexOy-FeS2-z复合材料。
5.一种权利要求1-3任一所述的FexOy-FeS2-z复合材料在作为锂离子电池负极材料中的应用。
6.一种锂离子电池的负极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将权利要求1-3任一所述的FexOy-FeS2-z复合材料与导电剂、黏合剂混合均匀并涂覆在金属集流体上即制得锂离子电池的负极，其中，金属集流体为铜箔，FexOy-FeS2-z复合材料中FexOy的质量百分数为50％～98％。
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