[发明专利]一种限域制备纳米二硫化铁微球的方法

说明书

本发明公开了一种限域合成的纳米二硫化铁微球钠离子电池负极材料的制备方法，包括：1)高温溶剂法合成四氧化三铁纳米粒子；2)乳液法组装四氧化三铁微球，高温碳化表面油酸形成碳壳；3)预刻蚀四氧化三铁微球后，一步硫化得到纳米二硫化铁微球钠离子电池负极材料。本发明制备的纳米二硫化铁微球的颗粒均为纳米级别，且每个颗粒都有均匀的碳壳包裹，应用于钠离子电池负极具有优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及无机材料的制备方法，特别涉及一种限域制备纳米二硫化铁微球的方法。

背景技术

近几年，人们对钠离子电池的研究日渐深入。与锂离子电池相比，钠离子电池有更加丰富的钠资源、较低的成本和相当的比容量，因此更加适用于大规模储能领域。但是钠离子比锂离子的离子半径大，而且还原电位比锂离子高，所以在电化学的离子嵌脱过程中，钠离子更容易造成材料晶体结构的破碎，导致电池的循环性能和倍率性能变差，因此寻找一种可行的而且廉价的钠离子负极材料一直是人们研究的重点。

二硫化铁(FeS₂)由于其理论容量高(894mAh/g)，而且资源丰富，所以是作为钠离子电池负极材料的不错选择。在1990年，二硫化铁作为锂电池的负极材料就已被报道。最近，也有多篇文章开始将二硫化铁作为钠离子电池的负极材料，但是由于二硫化铁本身的半导体性质和电化学嵌脱过程中的巨大体积膨胀，会导致电池的循环性能和倍率性能差。所以需要我们对二硫化铁材料的结构进行设计，使其满足作为电极材料的要求。

一般对电极材料的处理有以下两种方式：(1)对材料进行包碳处理，蔗糖、葡萄糖和一些聚合物被常常用作碳源，引入碳材料的目的是增加材料的导电性，而且可以限制材料在嵌脱过程中的破碎。(2)减小材料的尺寸，将材料纳米化可以减小钠离子的扩散路径，可以起到提高材料容量和倍率性能的作用。因此我们需要减小二硫化铁颗粒尺寸，同时对颗粒表面进行包碳处理，以提高其作为钠离子电池负极的容量。传统的包碳方法需要引入其他碳源，而且只能包裹在整体材料的外围，包裹程度不均匀。合成指定纳米尺寸的二硫化铁鲜有报道，原位硫化是合成指定颗粒大小二硫化铁的一种有效方便的方法。然而将氧化物硫化成硫化物时会造成颗粒熔融，如果不对硫化环境进行限域，会造成颗粒融合成大颗粒，形貌发生巨大变化。

开发出一种可以有效制备纳米二硫化铁微球的方法，对于钠离子电池的开发具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种限域制备纳米二硫化铁微球的方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种限域制备纳米二硫化铁微球的方法，包括如下步骤：

1)将表面疏水改性的四氧化三铁纳米粒子分散在溶剂中，得到混悬液；

2)将混悬液滴加至含有乳化剂的溶液中，均质、分离得到四氧化三铁微球；

3)将四氧化三铁微球在隔绝氧气的条件下煅烧，将四氧化三铁表面的改性分子碳化，得到碳包覆的四氧化三铁微球；

4)使用酸对碳包覆的四氧化三铁微球进行刻蚀，使微球部分四氧化三铁被侵蚀形成空洞，洗涤、干燥，得到刻蚀四氧化三铁微球；

5)将刻蚀四氧化三铁微球和硫粉混合，隔绝氧气的条件下煅烧，使刻蚀四氧化三铁微球内形成纳米二硫化铁；

6)清除未反应的硫粉、洗涤、干燥得到纳米二硫化铁微球。

在一些实例中，四氧化三铁纳米粒子的平均粒径为16～20nm。

在一些实例中，四氧化三铁纳米粒子在含有表面活性剂的溶液中的固含量为40～60mg/mL。

在一些实例中，步骤2)中制备得到的四氧化三铁微球的粒径为0.5～1μm。