[发明专利]一种碳基二维复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种碳基二维复合电极材料及其制备方法。包括：向铁盐溶液中分别加入十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、硫脲、硫代乙酰胺后经水热处理后得到二维复合材料前驱体；对二维复合材料前驱体进行热处理，得到硫化铁和碳的二维复合纳米材料。本发明一体化的复合结构构建策略不仅简化了整个电极材料的合成过程，同时显著地增加了硫化铁和二维碳纳米片之间接触的牢固性，极大减小了界面阻抗，促进了电子和离子在不同相界面的传输速度，从而该硫化铁和碳二维复合纳米结构表现出了优异的循环性能和超常的倍率性能。

技术领域：

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种碳基二维复合电极材料及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池已经被广泛的应用到日常生活的许多方面，由于其高能量密度，其应用已成功地从便携式电子产品扩展到电动汽车。作为锂离子电池的替代品，由于存储资源丰富、成本低廉，钠离子电池在大型储能系统中显示出了巨大的市场潜力。目前，制备具有优异电化学性能，丰富储量以及成本低廉的电极材料是锂离子电池和钠离子电池的主要挑战。硫化铁因其储量丰富、成本低、环境友好等优点，被认为是极有发展前途的电极材料。但由于充放电过程中体积变化大，动力学反应缓慢等原因导致硫化铁的电化学性能较差，阻碍了其商业化应用。

将电极材料制成纳米结构是解决硫化铁电化学性能差的可行方法。一般而言，纳米结构材料能够很好地缓冲循环过程中较大的体积变化，进而缓解电极材料的粉化现象，并通过缩短电子和离子的传输路径来增强反应动力学，从而改善循环性能和倍率性能。然而，纳米材料在充放电过程中往往会发生严重的聚集，这在很大程度上削弱了纳米电极材料的优点。最近的研究表明，将纳米材料与碳质材料结合，可以有效缓解纳米材料的聚集的问题。此外，引入的碳材料还可以提高离子/电子电导率，并作为缓冲材料来减缓电极材料的粉化问题。石墨烯因为其优异的导电性和柔韧的二维结构成为在复合电极材料中应用最广泛的碳质材料。合成纳米材料与石墨烯复合材料的传统方法是机械混合或以石墨烯作为基底材料进行水热/溶剂热。但用上述方法合成的复合材料常见缺点是：活性组分与石墨烯的相互作用较弱，导致结构稳定性较差。在充放电过程中，巨大的体积变化会使活性纳米材料不断从石墨烯上脱落，进而导致电池的容量衰减和倍率性能差的问题。此外，Hummers法合成石墨烯的附加程序也使复合材料整个制备过程变得更加复杂。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是由于石墨负极属于插层材料，理论比容量较低，不足以满足人们对锂离子电池能量密度的需求；此外，石墨在钠离子电池中属于惰性材料，容量极低；因而，需要研发具有更高比容量的负极材料。而具有合金或转换反应的金属基负极材料因在储能过程中的多电子反应，具有较高的理论比容量，近年来受到人们的广泛关注。在众多的金属基转换材料中，硫化铁因其比容量高、储量丰富、成本低、环境友好等优点，被认为是极有发展前途的电极材料，但由于充放电过程中体积变化大，动力学反应缓慢等原因导致硫化铁的电化学性能较差，阻碍了其商业化应用。

为解决上述问题，本发明通过一种简单的水热方法和热处理相结合的策略制备了一种超薄硫化铁和碳纳米片复合电极材料。其中，一体化的复合结构构建策略不仅简化了整个电极材料的合成过程，同时显著地增加了硫化铁和二维碳纳米片之间接触的牢固性，极大减小了界面阻抗，促进了电子和离子在不同相界面的传输速度，从而该硫化铁和碳二维复合纳米结构表现出了优异的循环性能和超常的倍率性能。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现，一种碳基二维复合电极材料的制备方法，向铁盐溶液中分别加入十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、硫脲、硫代乙酰胺后经水热处理后得到二维复合材料前驱体。其中十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮起到表面活性剂和碳源的作用，硫脲和硫代乙酰胺提供硫源，在水热过程中铁离子和硫源形成硫化铁，并镶嵌在由有机小分子聚合形成的二维碳前驱体骨架中。该前驱体材料为硫化铁纳米颗粒镶嵌在表面光滑、具有柔韧性的超薄的二维有机聚合物；对二维复合材料前驱体进行热处理，得到硫化铁和碳的二维复合纳米材料，热处理过程中，硫化铁量子点聚合结晶析出，二维有机聚合物高温碳化，热处理结束之后得到的是硫化铁纳米颗粒或六边形纳米片镶嵌在柔韧超薄的二维碳纳米片表面。