[发明专利]硫化铁-碳复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料、锂离子电池负极片和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种硫化铁‑碳复合材料及其制备方法、锂离子电池负极片和锂离子电池。该硫化铁‑碳复合材料包括多孔碳框架材料，以及原位生长于所述多孔碳框架材料的孔中的硫化铁纳米颗粒；其中，所述硫化铁纳米颗粒的质量分数为35～46wt％，所述多孔碳框架材料的质量分数为54～65wt％。本发明还提供了该硫化铁‑碳复合材料的制备方法、包含该硫化铁‑碳复合材料的锂离子电池负极片和锂离子电池。本发明采用一步碳化的方法，以对甲苯磺酸铁六水合物为铁源，通过一步高温热解的方式形成硫化铁‑碳复合材料；该方法设备简单、过程容易控制，可满足高倍率容量硫化铁‑碳复合材料的大规模生产及应用。

技术领域

本发明涉及微纳米技术领域。更具体地，涉及一种硫化铁-碳复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料、锂离子电池负极片和锂离子电池。

背景技术

锂电池，因其较高的工作电压和比能量、快速充放电和较高的安全性能等，被作为一种市场前景广阔和发展迅速的常用储能设备，在日常生产生活中有着十分广泛的应用。如何提高锂电池的能量密度，是一个亟待解决的重要问题。

高容量电极材料的应用是提高电池能量密度的重要手段。对负极材料来说，商业化石墨负极的能量密度为372mAh g^-1。因此，用高容量负极替代石墨负极的研究工作受到学术界和产业界越来越多的重视。一系列高容量的电极材料应用到锂离子电池中，如硅，锡，金属氧化物和硫化物等。在所有的高容量负极材料中，金属硫化物因其较高的比容量和低的成本得到大量研究。与硅和金属氧化物负极相比，金属硫化物在充放电过程中具有相对较低的体积膨胀或收缩，因此具有更好的倍率性能和循环性能。

在所有报道的金属硫化物中，硫化铁由于其低成本、资源丰富和高理论容量而引起了越来越多的关注。然而，硫化铁负极的发展受制于其低容量释放、低循环稳定性和低倍率性能。这可能是由硫的溶解、差的导电性以及体积膨胀而引起。根据之前的报道，硫化铁/碳杂化策略在解决硫化铁负极的缺点方面很有优势，因为碳骨架不仅提高了电子输运速率，而且可以缓冲了硫化铁的体积膨胀或收缩。此外，包裹在硫化物上的碳层可以减少多硫化物溶解到电解液中。

目前，文献中已经报道了几种方法用于制备硫化铁/碳杂化负极，包括溶液法、电纺丝技术、模板法和气相法等。虽然硫化铁/碳杂化负极的研究取得了重大进展，然而该负极材料的大规模生产仍然受制于其复杂的制备过程和高的成本。例如，这些方法必须制备复杂的前躯体或使用昂贵的石墨烯。

因此，本发明提供了一种硫化铁-碳复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料、锂离子电池负极片和锂离子电池，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硫化铁-碳复合材料及其制备方法、包含该硫化铁-碳复合材料的锂离子电池负极材料、锂离子电池负极片和锂离子电池，解决了硫化铁- 碳复合材料无法大规模生产，制得的负极材料容量衰退快，循环性能差等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种硫化铁-碳复合材料，包括多孔碳框架材料，以及原位生长于所述多孔碳框架材料的孔中的硫化铁纳米颗粒；其中，所述硫化铁纳米颗粒的质量分数为 35～46wt％，所述多孔碳框架材料的质量分数为54～65wt％。该多孔碳框架提供了电子快速传输的网络，并且缩短了离子扩散的路径；FeS纳米颗粒被被限制在多孔碳骨架中，不仅可以缓冲FeS颗粒充放电过程中体积膨胀或收缩引起的结构变化，还可以减少多硫化物在电解液中的溶解。

优选地，所述多孔碳框架材料的孔径为2～300nm，孔容为0.36～0.40cm³ g^-1.，孔的比表面积为383～416m² g^-1；进一步地，在本发明某些实施例中，所述多孔碳框架材料的孔的比表面积为383～408m² g^-1、408～416m² g^-1等。