[发明专利]一种FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料及其制法

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料，FeS纳米花具有纳米花瓣状的特殊形貌，比表面积巨大，脱锂和嵌锂的活性位点丰富，聚丙烯腈侧链的炔基与FeS纳米花的叠氮基团进行点击化反应，将FeS纳米花原位接枝到聚丙烯腈中，FeS纳米花高度分散和掺杂在碳纳米纤维中，减少了团聚和聚集，避免脱锂和嵌锂的活性位点被堆积覆盖，碳纤维骨架为FeS纳米花的结构起到了支撑和保护的作用，缓冲了体积膨胀变化产生的应力，氮掺杂碳纳米纤维具有丰富的多孔结构、缺陷位点和导电性能，促进了电子和离子的传输和扩散，具有超高的实际比容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料及其制法。

背景技术

目前对新型能量储存和转换装置的研究是解决能源危机和环境污染问题的有效途径，其中锂离子电池是一种绿色无污染的二次电池，具有能量密度大，输出电压高、循环寿命长等优点，在便携式电子产品和新能源电动汽车领域具有重要和广泛的应用，锂离子电池主要有正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，其中负极活性材料对锂离子电池的能量密度和循环稳定性具有很大单位影响。

目前的锂离子电池负极材料主要为碳负极材料、硅负极材料、金属类负极材料、过渡金属氧化物材料、过渡金属硫化物材料等，其中过渡金属硫化物如FeS、Fe₂S、MoS₂、Co₉S₈等具有很高的理论比容量，并且来源广泛、污染很小，是一种极具发展潜力的锂离子电池负极活性材料，然而FeS电极材料在充分电过程中容易发生体积变化，导致FeS活性物质脱落和粉化，大大影响了电极材料的电化学循环稳定性，目而将纳米FeS活性物质与多孔碳材料复合，是提高负极材料电化学性能的有效策略，因此如何将FeS均匀分散在多孔碳基体，减少纳米FeS团聚现象，从而暴露出更多的电化学活性位点，是一项研究难点。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料及其制法，解决了FeS电极材料导电性和电化学循环稳定性较差的问题，同时解决了纳米FeS活性物质很难均匀分散在多孔碳基体中的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料，所述FeS纳米花原位掺杂多孔碳纳米纤维的负极材料制备方法包括以下步骤：

(1)向反应瓶中加入三甘醇溶剂、质量比为35-40:10的氯化亚铁和硫单质，超声分散均匀后倒入水热反应釜中，并在热反应装置中，加热至190-210℃，反应4-8h，将溶液过滤溶剂，蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体产物在气氛炉中，在氮气氛围中，550-600℃下热处理1-2h，制备得到FeS纳米花。

(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂和FeS纳米花，超声分散均匀后加入3-氯丙基三甲氧基硅烷和对甲基苯磺酸，加热至70-90℃，反应2-6h，减压蒸馏除去溶剂，蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到氯丙基化FeS纳米花。

(3)在氮气氛围中，向反应瓶中加入二甲亚砜溶剂和氯丙基化FeS纳米花，超声分散均匀后加入四丁基溴化铵、碘化钾和叠氮化钠，加热至100-120℃，匀速搅拌反应20-30h，过滤除去溶剂，蒸馏水和丙酮洗涤并干燥，制备得到叠氮化FeS纳米花。

(4)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、丙烯腈和端炔基丙烯酸酯类单体，搅拌均匀后加热至65-75℃，缓慢滴加引发剂过硫酸铵的水溶液，匀速搅拌反应3-6h，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，制备得到侧链含炔基聚丙烯腈。