[发明专利]一种氮硫共掺杂VSe2

说明书

本发明公开一种氮硫共掺杂VSe₂/CNF钾离子电池负极材料及其制备方法，以猪毛、牛毛、羊毛、禽类羽毛或人发纤维为主要原料提取角蛋白，并作为氮硫主要来源掺杂到PAN/VO(acac)₂复合物中，经纺丝及硒化制得氮硫共掺杂VSe₂/CNF钾离子电池负极材料。结果表明，该钾离子电池负极材料表现出较优异的储钾性能。本发明操作过程简单，条件可控；VSe₂/CNF碳复合材料优异的结构特性有利于钾离子电池的脱嵌；以动物毛发等为原材料，绿色环保、资源循环，实现废弃资源高值化利用；同时氮、硫共掺杂给电极材料本身提供了较多的活性位点，有利于离子、电子的传输，从而提高其电化学性能。

技术领域

本发明属于钾离子电池材料领域，尤其涉及一种氮硫共掺杂VSe₂/CNF钾离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

化石能源耗竭以及其不可再生性，带来环境污染与能源危机等问题，迫切需要具备优异的存储能力和快速动力学过程的电极来满足电能储存设备需求。然而，有限的锂资源并不能满足能源存储的需求。与锂元素同主族的钾元素在化学性质上与锂相似、且储量丰富，同时其具备更低的标准还原电位、更宽的电压窗口、更小的电负性、更弱的溶剂作用力，使得钾离子电池比锂离子电池、钠离子电池具有更好的动力学性能，成为继锂钠离子电池之后又一个研究热点。但K⁺较高的质量和更大的原子半径，在钾离子电池充放电过程中容易引起严重的体积膨胀，对电极材料结构造成破坏，使得电池的倍率与循环能力较差。

碳材料，如碳纳米纤维由于其比表面积大、导电性强、结构稳定性强、可为电子的传输和电解液的流动提供有效的通道、易于化学修饰和结构丰富可调的一系列优点，是目前负极材料的研究热点，但其钾离子的插层化合物 KC₈的理论容量仅为 279 m Ah g^-1。为了钾离子电池的规模化应用，电池负极仅仅依靠插层反应贡献容量是不足够的，需引入其他储钾机制以突破碳材料储钾的理论容量限制。

钒作为典型多价（V²⁺、V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺）过渡金属元素，化学性质非常活拨，在我国储量较丰富，而且作为电极材料具有比容量高、无毒、价廉等优点，成为新一代的绿色能源材料。但钒基作为钾电材料还较少见，其中过渡金属硫属化合物如VSe₂具有可控的形貌和较高的理论容量，是一种优秀的负极材料。但该电极材料在循环过程中容易发生剧烈的体积膨胀且钾离子脱嵌动力学较为缓慢，制约其进一步发展。因此，将高容量的VSe₂与碳纳米纤维材料复合，可获得性能优异的电极材料。另外，非金属元素 P、F、S和N等杂原子掺杂功能化修饰碳材料是提高其电化学性能最直接最有效的方法。其主要是以取代掺杂的方式替换掉碳分子网络中碳原子，从而改变整体电位，提高材料的耐久性和稳定性，达到功能化修饰的目的。因此将禽畜鸟类毛羽中提取的角蛋白作为N和S 的来源，掺杂到VSe₂/CNF复合物中，不仅绿色环保，而且可获得生物相容性较好、稳定性较高、电化学性能优异的钾离子电池负极材料。

发明内容

本发明先将猪毛、牛毛、羊毛、禽类羽毛或人发纤维得到的角蛋白作为前驱体，与聚丙烯腈和乙酰丙酮氧钒共混。经电纺及硒化等过程制备一种氮硫共掺杂的碳复合材料。本发明的目的在于提供一种氮硫共掺杂VSe₂/CNF钾离子电池负极材料及其制备方法，工艺简单，可操作性强，原料来源广泛，成本低廉，绿色环保。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

1. 步骤一：纺丝溶液配制

（1）提取角蛋白：使用碱性法对猪毛、牛毛、羊毛、禽类羽毛或人发纤维进行处理，得到氮硫前驱体角蛋白；