[发明专利]一种纳米硫化亚铁/石墨烯复合正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米硫化亚铁/石墨烯复合正极材料的制备方法。以四氧化三铁/石墨烯复合材料为反应产物，引入硫源，通过化学气相沉积法，制备出硫化亚铁/石墨烯复合材料。硫化亚铁颗粒在石墨烯表面分散均匀，并且和石墨烯结合稳定，从而可以有效防止纳米颗粒在充放电过程中发生团聚，缓冲体积膨胀，抑制反应产物在电解液中的溶解，最终保证充放电过程中电极结构稳定；同时，石墨烯提供了良好的导电网络，加速电子传输。本发明的制备工艺简单，耗时短，成本低，易于实现工业化生产；该方法制备得到的硫化亚铁/石墨烯复合材料具有优异的电化学性能，是一种理想的锂离子电池正极材料，可广泛应用于便携式电子设备电动汽车以及航空航天等领域。

技术领域

本发明属于新能源材料和电化学领域，具体涉及一种新型可充放电锂离子电池纳米硫化亚铁/石墨烯(FeS/graphene)复合材料的制备方法。

技术背景

当今时代，锂离子电池因具有高可逆容量、高电压、高循环性能、高能量密度、长循环寿命、小自放电速率以及无记忆效应等优势，在手机、笔记本等数码电子产品及混合电动汽车等领域得到了广泛的应用。电子数码产品的快速发展，对其所用的电池性能要求也越来越高，急需具有高容量、高能量密度的锂离子电池来满足其市场需求。现今，限制锂离子电池容量的“瓶颈”是正极材料。一直以来，人们对此研究的热情有增无减。硫化物正极材料以其高容量、低成本、低毒性、循环性能较好等优点，成为目前最具有发展前途的正极材料之一。在解决电解质的匹配、抑制锂枝晶产生和改善循环性能等问题的基础上，有望把此类性能优异的储能材料产业化，因此对于此类正极材料的研究具有很重要的意义。

FeS理论容量高达609mAh/g，资源丰富，低毒，导电性较好，近年来受到了研究者们的广泛关注。但是，FeS在脱嵌锂过程中伴随着较大的体积变化，使得活性颗粒发生粉化，活性物质和集流体失去电接触或者从其表面脱落，导致容量的快速衰减。另外，FeS材料的电子电导较差，导致电化学反应动力学慢，倍率性能较差。目前，许多研究都试图通过各种方法来改善其电化学性能，如减小颗粒尺寸，合成特殊形貌等。另一种有效改善硫化亚铁电化学性能的方法是与导电碳基体材料形成复合物。

文献中具有代表性的硫化亚铁基电极材料的研究工作包括：

(1)新墨西哥州立大学Hongmei Luo教授研究小组以Fe(NO₃)₃·9H₂O为铁源，Na₂S·9H₂O为硫源，采用共沉淀法制备得到硫化亚铁/石墨烯复合材料，以该材料制备的电极，在100mA/g的电流密度下，首次放电比容量超过1300mAh/g，40次循环后的放电比容量为978mAh/g，库仑效率较低，仅有97％；随着电流密度的增大，容量衰减加快。可以发现，该材料作为锂离子电池电极材料，循环稳定性和阶梯倍率性能较差。并且该制备方法可控性较差，不易于大规模生产(ACS applied materials&interfaces,2013,5(11):5330-5335)。

(2)中国科学技术大学Yan Yu教授研究小组以PVA、PVP作为表面活性剂，采用溶剂热法合成了FeS/C/carbon cloth复合材料，并直接用于锂离子电池的电极材料。电化学性能测试表明：在0.15C的小电流密度下，电极首次放电比容量达到699mAh/g，循环100次后仍保持420mAh/g；在1.2C的大电流密度下循环200次后有明显衰减。该制备过程成本高，能耗大，产量低(ACS applied materials&interfaces,2015,7(50):27804-27809)。