[发明专利]一种生物质基石墨化碳/Fe7

说明书

本发明提供了一种生物质基石墨化碳/Fe₇S₈复合材料的制备方法。所述方法包含如下步骤：1、生物质材料的预处理；2、铁离子处理；3、石墨化处理；4、硫化处理。该方法采用两步煅烧法制备出了生物质基石墨化碳/Fe₇S₈复合材料，第一次煅烧工艺形成石墨化碳/Fe₃C中间物质，使铁元素与碳基底发生化学键合作用，第二次煅烧处理可以使Fe₃C原位转化Fe₇S₈纳米粒子，且被石墨化碳包覆的复合结构。所得产物可以直接作为锂离子电池负极材料使用，不需要酸洗、水洗等后处理步骤。该方法工艺过程简单，采用价格低廉的生物质为碳源，对环境友好，可进行大规模制备。所制备的生物质基石墨化碳/Fe₇S₈复合材料作为锂离子电池负极材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及到锂离子电池负极材料技术领域，特别涉及到一种生物质基石墨化碳/Fe₇S₈复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)作为一种循环寿命长、安全性高、自放电低的存储设备，被广泛应用于各种固定储能、便携式电子设备、电池型混合动力汽车等领域。但是，商用石墨的低Li存储容量(理论容量约为372 mAh g⁻¹)及成本限制了传统LIBs的应用。因此，开发更高能量密度、低成本、清洁的储锂材料迫在眉睫。

近年来，铁硫化物因其理论容量大、价格低、无毒等有点成为锂离子电池负极材料研究热点。但由于其在锂电循环过程中，体积变化较大，且硫化物在电解液中溶解，导致其电极循环稳定性差，粉化严重，这限制了铁硫化物在锂离子电池材料方面的实际应用。

为解决铁硫化物在锂离子电池应用中的问题，目前主要有两类方法，一是通过不同的制备方法设计纳米结构的铁硫化合物。如利用水热法制备FeS₂纳米线、湿法化学法制备球状、花瓣状、片状的纳米FeS₂。通过设计纳米结构材料可以减小离子扩散距离和提高电子的传输速率，提高电化学性能；但是这类方法不能够有效地解决铁硫化合物循环过程的体积膨胀导致循环稳定性差的问题，而且合成过程步骤复杂、使用有毒化学品和有机溶剂，严重限制了实际应用；二是将铁硫化合物与碳材料进行复合，形成不同的铁硫化合物/C的复合材料。

如专利（CN109449407A，CN111517374A）利用不同的方法设计碳包覆的纳米Fe₇S₈，有效的提高铁硫化合物作为电池材料的循环稳定性。相关文献中（ChemicalCommunications, 2015, 52(5): 986-9；Materials Letters, 2017, 186：62-65；）报道了利用石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管复合FeS₂、Fe₇S₈等，得到铁硫化物/C复合材料。这些碳材料的复合可以缓解纳米铁硫化物的体积膨胀和抑制粒子的聚集问题，同时也能够增强其电子导电能力，从而显著提高铁硫化物的储锂性能。这类铁硫化物/C复合材料中的碳源大部分采用石墨烯、碳纳米管等作为复合碳材料，而使用成本低廉的生物质碳源研究相对缺乏。专利CN200810011997.5的技术方案中采用微波辐射加热催化石墨化方法将生物质材料制备成石墨化碳材料。该方法采用微波法虽然工艺简单，但微波法加热温度无法控制，产物的石墨化程度比较难控制。此专利主要形成碳-碳材料或碳化物-碳复合材料。专利CN103123970A的技术方案中采用磷酸树脂材料为碳源，通过一步热处理制备了金属磷化物/石墨化碳复合材料，所得产物需要酸洗后处理除杂。一步热处理得到石墨化碳物相不明显，或有些样品难以产生石墨化碳，此材料在专利中仅简单说明可作为电极材料。

因此，如何将生物质基碳与铁硫化物结合，发展成对环境友好、低成本、高附加值产品已经成为再生行业重要的研究课题之一。

发明内容