[发明专利]一种二硫化铁正极复合材料的制备方法

说明书

本发明是一种二硫化铁正极复合材料的制备方法，该正极复合材料为二硫化铁、石墨烯及碳纤维的复合物。首先将一定量碳纤维置于等离子增强化学气相沉积装置的反应腔中，关闭舱门并抽成真空状态；然后向反应腔中通入Ar，对碳纤维进行等离子预处理；随后向反应腔中通入CH₄及H₂，于一定温度下反应一定时间；然后将反应产物置于高压釜中，向其中加入含硫代硫酸钠、硫酸亚铁、硫的混合水溶液，于一定温度下反应一定时间；最后将产物离心、过滤、洗涤、脱水干燥、研磨，制得最终正极复合材料。所制得正极复合材料电化学性能突出，具有高倍率性能及长循环寿命。

技术领域

本发明是一种二硫化铁正极复合材料的制备方法，该正极复合材料是一种二硫化铁/石墨烯/碳纤维复合材料，属于电池技术领域。

背景技术

二硫化铁具有高理论比容量(894mAh/g)、低成本及环境友好等优点，被认为是一种高潜力锂离子电池正极材料。然而，其本身也面临着诸多问题，包括1.电子及离子导电性低；2.循环过程中体积变化大；3.放电过程中二硫化铁与锂发生转化反应生成高活性纳米Fe单质及绝缘的Li₂S产物。而纳米Fe单质易发生团聚，多硫化物易原位溶解，导致电极容量快速衰减。

发明内容

本发明正是针对上述二硫化铁正极材料存在的技术问题而设计提供了一种二硫化铁正极复合材料的制备方法，该制备方法利用等离子增强化学气相沉积技术，设计制备出“齿轮状”石墨烯/碳纤维复合材料，并在该材料基础上原位合成纳米二硫化铁材料。最终制备的二硫化铁正极复合材料具有高的倍率及循环性能。同时，该电极具有良好机械性能，在柔性电池产品上展现良好应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种二硫化铁正极复合材料的制备方法的步骤如下：

步骤一、将碳纤维置于等离子体增强化学气相沉积装置的反应腔中，关闭舱门并抽成真空状态，使气压低于0.02Pa；

步骤二、向反应腔中通入Ar，对碳纤维进行等离子预处理；通过对碳纤维预处理，提高石墨烯在其上垂直生长的粘附力；

步骤三、向反应腔中通入CH₄及H₂并进行反应；垂直生长的纳米片构筑了3D导电网络，提高了电子传输速度，同时其特有的“齿轮”结构利于材料脱嵌过程Li⁺在石墨烯纳米片间的快速传输；

步骤四、将步骤三得到的反应产物置于高压釜中，向高压釜中加入含硫代硫酸钠、硫酸亚铁、硫的混合水溶液并进行反应；原位生长的纳米二硫化铁颗粒，嵌入于石墨烯纳米片中间，提高了复合材料空间利用率，使材料具备高的体积能量密度；同时石墨烯起到缓冲作用，抑制了材料体积变化及产物团聚、溶解；此外，原位合成的二硫化铁材料同碳基体间的界面以化学键形式结合，进一步提高材料结构稳定性及电子传输；

步骤五、将步骤四得到的反应产物离心、过滤、洗涤、脱水干燥、研磨，制得正极复合材料。

在一种实施中，碳纤维与最终生成的二硫化铁的质量比为1∶2～9。

在一种实施中，步骤二中通入Ar的流速5～20ml/min，充入Ar后的舱压为1～3Pa。

在一种实施中，步骤二中等离子预处理的射频等离子体频率为1～50MHz。

在一种实施中，步骤三中通入CH₄、H₂的流速分别为10～30ml/min、5～20ml/min，反应温度为400～700℃，反应时间为5～20min。优化生长参数，在石墨烯生长前，在碳纤维表面优先沉积生成一层高导电的无定形碳层，进一步提高了电子传输速度，同时提高石墨烯在其生长的粘结性。此外，保证石墨烯纳米片生长高度在一定范围内，进而保证复合材料结构设计效果。