[发明专利]一种氮硫共掺杂VN/CNF钾离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明公开一种氮硫共掺杂VN/CNF钾离子电池负极材料的制备方法，以动物毛发原料作为氮硫主要来源掺杂到PAN/VO(acac)₂复合物中，经纺丝、氨化制得一种氮硫共掺杂VN/CNF钾离子电池负极材料。本发明以禽畜毛羽为原材料，价格低廉、绿色环保、资源循环，实现废弃物高值化利用；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；经纺丝、氨化即可获得该材料，实验过程操作简单，条件可控，结构稳定好；作为钾离子电池负极材料表现出较优异的储钾性能，在在100 mA/g电流密度下充放电循环30次比容量稳定在208.9 mAh/g，库伦效率达90%，表现出较优越的电化学性能。

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VN/CNF钾离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着新能源汽车行业迅猛发展，锂离子电池被广泛应用于新型混合动力汽车、纯电动汽车等领域，能源市场对锂资源的需求急剧增加。然而，地壳中锂金属资源的稀缺和分布的不均衡严重影响了锂离子电池大规模地应用。含量丰富、且在元素周期表中与锂位于同一主族的钾具有与锂相似的物理化学性质，在电化学领域逐渐受到关注和研究。但钾离子粒径较大，在脱嵌过程中可引起严重的体积膨胀，导致钾离子电池的循环稳定性较差，随着电流密度的增加，容量衰减量也急剧增加，制约了其进一步应用。

目前钾电池负极材料主要以碳材料为主，如碳纤维、碳纳米管等。虽然碳材料具有导电性好、成本低、循环稳定性好、充放电平台较理想等优点，但同时却存在析出枝晶钾导致隔膜损坏导致电池短路、比容量低、首次充放电效率低等缺点。与其他已经商品化或研宄较为成熟的其他负电极材料相比，钒基电极材料具有比容量高、资源丰富、价廉等优点，作为新一代的绿色能源材料，已经受到广泛的关注，但钒基作为钾电材料还较少见。其中VN作为一种过渡金属氮化物，具有良好的电子传导能力、力学性能和化学稳定性，作为负极材料时会反应生成K₃N，而 K₃N具有良好的电子传导率，且在转化反应的同时，对储钾也起到了一定的作用，可提高电化学性能，是一种良好的负极材料。但VN粒子容易团聚，造成了严重的容量衰减。

因此，本发明将动物毛发作为氮硫来源，利用静电纺丝工艺、经NH₃气氛煅烧制得一种氮硫共掺杂VN/CNF复合材料，并作为钾离子电池负极材料。不仅解决了碳纤维在插层储钾过程中比容量低问题，而且利用其良好的三维网络导电结构及稳定性将VN粒子限域在纤维中，既可防止VN粒子团聚，保证转化储钾性能，而且获得良好的循环稳定性能。另外，非金属元素 S和N等杂原子掺杂功能化修饰碳材料是提高材料电化学性能最直接最有效的方法。动物毛发（如猪毛、牛毛、羊毛、禽类羽毛或人发纤维等）中含有丰富的C、N、S等元素，可提取作为N、S的来源，以取代掺杂的方式替换碳分子网络中碳原子，从而改变整体电位，提高材料稳定性及电化学性能，达到功能化修饰的目的。本发明不仅操作简单、绿色环保、价格低廉、资源循环，而且生物相容性较好、电化学性能优异。

发明内容

本发明先将动物毛发经过处理得到固体粉末状的多肽，作为氮硫前驱体，与聚丙烯腈和乙酰丙酮氧钒共混。经静电纺丝、氨化等过程制备一种氮硫共掺杂的的碳复合材料。本发明目的在于提供一种氮硫共掺杂VN/CNF钾离子电池负极材料的制备方法，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) 对动物毛发进行处理，得到氮硫前驱体。具体包括：用适量丙酮超声清洗干净，将毛发剪碎（约 5mm），碎毛发倒入反应釜内衬，加入氨水，毛发与氨水的质量比为1：10-20%；在90-150 ^oC下微波水热消解反应 0.5-1个小时。水热消解得到的溶液在冻干机中-40^{oC冷冻干燥，用研钵研磨得到固体粉末状的多肽，作为氮硫的前驱体；}