[发明专利]一种碳包覆硫化铁量子点复合纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明公布了一种碳包覆硫化铁量子点复合纳米片及其制备方法和作为无枝晶碱金属负极集流体的应用，属于电池技术领域。本发明通过一步原位热解的方法合成碳包覆硫化铁量子点复合纳米片。其中硫化铁量子点在碳基体中均匀分布组装成二维层状超晶格结构。将碳包覆硫化铁量子点复合纳米片作为碱金属负极集流体，能增强碳材料对碱金属的亲和性，引导碱金属均匀沉积，抑制枝晶生长等一系类问题，从而改善碱金属二次电池循环寿命短、库伦效率低、安全性能差的缺点。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种碳包覆硫化铁量子点复合纳米片及其制备方法和作为无枝晶碱金属负极集流体的应用。

技术背景

锂金属负极和钠金属负极具有低电势和较高的理论比容量，而且能够与S, O₂和CO₂等正极匹配，得到高能量密度的二次电池。因此，在新型电池领域具有重要潜力。然而，碱金属在电镀/剥离过程中容易形成枝晶。一方面，枝晶在电解液中脱落会造成“死锂”或“死钠”，从而导致电池呈现出循环寿命短、库伦效率低等问题。另一方面，由于碱金属负极无“主体”的特征，其体积会发生巨大的变化，导致枝晶生长不可控。最严重的是，枝晶尖端刺破隔膜，电池内部会发生短路，导致电池燃烧或爆炸，从而造成安全隐患。

目前，碱金属负极集流体结构的设计可以限制碱金属体积膨胀、引导碱金属均匀成核，抑制枝晶的形成，因此引起科研工作者的广泛关注。碳材料具有密度小、导电性高、结构可控、物理化学性质稳定等优点，成为碱金属负极集流体结构设计的重要材料。然而，单纯的碳材料不具有“亲锂/钠”性质，需要引入金属或金属化合物纳米粒子对其表面改性，使其从“憎锂/钠”转变为“亲锂/钠”。纳米粒子尺寸越小，在碳基体中的分散性越高，越有利于增加成核位点的数量、降低成核势垒，并提高纳米颗粒的利用率以及锂/钠金属负极的能量密度。然而，这些纳米粒子直接暴露在电解液中，容易在循环过程中从集流体上剥离，难以在循环过程维持结构稳定。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种碳包覆硫化铁量子点复合纳米片及其制备方法和应用。本发明所提供的复合纳米片中，硫化铁量子点在碳基体中均匀分布，并组装成二维层状超晶格结构。将所述复合纳米片用作碱金属负极集流体，硫化铁量子点能增强碳材料对碱金属的亲和性，抑制枝晶生长等相关的一系列问题，从而改善碱金属二次电池的循环寿命、库伦效率、安全性能。

为实现上述目的，本发明提供一种碳包覆硫化铁量子点复合纳米片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、将摩尔比为1:1～1:4的二茂铁和含硫物质添加至高压反应釜，并用惰性气体置换高压反应釜内的空气。然后，将反应釜置于马弗炉中，以5～10℃ min^-1的升温速率，在室温下加热到300～450℃，并保温0.5～10h。最后，冷却至室温。

步骤二、取步骤一所得产物用溶剂洗去未反应原料，并进行抽滤、烘干得到碳包覆硫化铁量子点复合纳米片。

本发明进一步的优选方案是：

步骤一中，所选的含硫物质为单质硫、硫化铵、噻吩、硫醇、硫酚、硫醚、二硫化碳、有机二硫化物、有机多硫化物、有机环状硫化物中的一种。

步骤一中，所选的惰性气体为氮气或氩气。

步骤二中，所选的溶剂为乙醇、二硫化碳、四氯化碳中的一种或多种。

本发明的又一个目的是提供上述复合纳米片用作电极材料制备无枝晶碱金属负极集流体的应用，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将碳包覆硫化铁量子点复合纳米片、羟甲基纤维素、聚丁苯橡胶乳液以质量比为8：1：1的比例搅拌混合成浆料；

第二步、将浆料均匀涂覆在铜箔或者铝箔表面；最后，在真空烘箱内以120℃烘干12h，得到碳包覆硫化铁量子点复合纳米片碱金属负极集流体；