[发明专利]一种过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明为一种过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维电极材料的制备方法及应用。本发明利用乙酰丙酮金属盐与硫在N，N‑二甲基甲酰胺中的键合作用，采用静电纺丝技术制备聚合物纤维，经过空气固化、惰性气氛下碳化步骤得到过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维。该复合材料中过渡族金属硫化物纳米颗粒均匀嵌于氮硫共掺杂碳复合纤维中。本发明制备方法简单，适用性强，得到的过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维作为锂离子电池负极材料时，表现出良好的电化学性能，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池及其制备技术领域，具体涉及一种过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维及其制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

过渡族金属硫化物作为锂离子电池负极材料时，具有较高的理论比容量，且其环境友好，资源丰度，成本较低，被认为是一种具有较大发展前景的负极材料。但是，过渡族金属硫化物在充放电过程中仍存在体积变化大、导电性差、锂离子扩散速度慢等问题。与导电性好、结构稳定的碳材料复合是解决上述问题的有效方式。

静电纺丝是一种制备碳复合电极材料的简单方法。静电纺丝制备的碳纳米纤维具有较好的导电性和高额长径比。目前，采用静电纺丝法制备金属硫化物碳复合纤维的方式通常是多步法。例如，王春生课题组设计制备了FeS₂@碳纤维复合材料，首先通过静电纺丝法制备含有金属盐的高聚物纤维，通过空气固化和在惰性气体中煅烧得到Fe₂O₃@碳纤维复合材料，随后通过与一定比例真空硫化得到FeS₂@碳纤维复合材料(ACS Nano 2016,10,1529-1538)。其过程繁复、工艺复杂，难以实现复合材料的可控制备。

为了解决以上问题，本发明提供了一种合成过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维的方法，该方法过程简单，易控制，合成的产物结构形貌稳定，可有效抑制和缓冲体积膨胀，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维的制备方法。该方法通过乙酰丙酮金属盐与硫粉在溶液中发生反应生成乙酰丙酮金属盐-硫键合物，在后续惰性气体中煅烧过程中可直接转变为过渡族金属硫化物。本发明简单易控，合成的纤维尺寸均匀，物理强度高，碳材料可有效、均匀包覆过渡族金属硫化物材料，表现出良好的储锂电化学性能，具有很好的应用前景。

本发明的技术方案为：

一种过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将乙酰丙酮盐溶于N，N-二甲基甲酰胺中形成透明溶液，再加入硫粉，20～80℃下搅拌10～30分钟，最后加入聚丙烯腈，混合后得到静电纺丝液；

其中，所述的乙酰丙酮盐加入量为0.05mol/L～2mol/L；摩尔比为，乙酰丙酮盐：硫粉＝2:1～1:8；质量比为，聚丙烯腈：N，N-二甲基甲酰胺＝5～15:100；

(2)将静电纺丝液进行电纺，得到静电纺丝纤维；或者，将得到的静电纺丝纳米纤维进一步织造，得到的静电纺丝纳米纤维布；

其中，所述的静电纺丝的电压为5～20kV，接收距离为5～20cm；静电纺丝针头的内径为0.2～0.8mm，静电纺丝的推进速度为0.2～2mL/h；

(3)将静电纺丝纳米纤维或者静电纺丝纳米纤维布，升温至200～260℃；保温20～120min；再在惰性气氛下、400-800℃下煅烧1～24h，得到过渡族金属硫化物/氮硫共掺杂碳复合纤维；

所述的升温速度为0.5～3℃/min；惰性气体为氩气。

所述的制备方法，步骤(1)所述的乙酰丙酮盐为乙酰丙酮锰、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锌、乙酰丙酮钒、乙酰丙酮钼、乙酰丙酮铁中的一种或几种。