一种Fe7S8-FeP@C碱金属离子电池负极材料及其制备与应用

本发明涉及碱金属电池领域，特别涉及钠离子电池，锂离子电池负极材料及钾离子电池负极材料。

背景技术：

1、尽管近年来锂离子电池系统取得了深刻的进展，但限制了锂的储备和高成本，促使人们更多地专注于开发替代可充电电池。作为一种新型的二次电池系统，钠离子电池具有成本效益高、钠含量丰富、与锂离子性能相似的优点，具有很大的应用潜力，因此被认为是大规模能源存储的强大候选者。为了满足大规模储能的需求，研究人员专注于构建具有高库仑效率、稳定循环性能和高倍率能力的钠离子电池。而开发合适的电极材料是高性能钠离子电池的前提和基础。因此，需要通过合理的设计和可控的合成来生产具有提高速率容量和稳定结构的新型负极配对材料。到目前为止，已经进行了许多科学研究来克服这些问题，而更可控的界面工程被认为是提高电极中钠离子存储性能的最有效的方法之一。

2、适用于高倍率性能的材料是那些具有快速钠离子转移动力学的材料，可以实际用作构建单元。其中，过渡金属硫化物和磷化物因其独特的离子转移动力学和安全电位平而受到特别关注。通过合理的设计两相混合的金属硫化物和磷化物混合物可以制备出具有异质结结构的fe7s8-fep，从而可以有效的提高电子和离子传导，整体提升复合物的电化学性能。主要由于异质结构材料可能具有多种协同效应，首先异质结构可以提供比其对应物更高的电化学存储活性；其次由于带隙较小的精细能带结构，提高了电子导电性；同时于引入了内部电场，以较低的扩散势垒加速离子转移动力学；而且由于化学键和静电力等强相互作用，适应体积膨胀并保持结构稳定性。因此合理的设计具有不同带隙的纳米晶体组合的异质结构的fe7s8-fep对于改善其本征问题，提高复合物的整体性能至关重要。

技术实现思路

1、一种fe7s8-fep@c碱金属离子电池负极材料的制备方法，

2、第一步.前驱体的合成：

3、首先，将3-12g(优选4-8g，更优选6g)聚乙烯吡咯烷酮(pvp)和与pvp的质量比为3:1-1:3可溶性铁盐(优选2:1-1:2，更优选1：1)溶解于100ml水中，并在90℃(80-110℃)下搅拌11h(8-12h)以获得前驱体溶液；干燥制得前驱体固体颗粒；

4、第二步.氮掺杂的fe7s8-fep@c复合材料的合成：

5、将合成出的前驱体颗粒和硫源以及磷源以质量比为1:1:1-1:3:3(优选的质量比为1:1:1-1:2:2，更优选1：1.5：1.5)分别沿惰性气氛气体流动方向间隔放置，然后使惰性气氛气体依次流经硫源、磷源、前驱体，在惰性气氛下，以0.1-9℃ min-1(优选1-6℃ min-1，更优选2℃ min-1)的加热速率使硫源、磷源和前驱体均升温加热到450℃-900℃(优选500℃-700℃，更优选600℃)的煅烧温度，并于煅烧温度下煅烧处理1h-10h(优选1h-6h，更优选3h)，即可得到fe7s8-fep@c。

6、可溶性铁盐为fe(no3)3·9h2o、fe(no3)3，co(no3)3·6h2oni(no3)3·6h2以及其它过渡金属硝酸盐中的一种或二种以上；

7、硫源为硫粉、硫脲中的一种或二种以上；

8、磷源为红磷、磷酸二氢钠中的一种或二种以上；

9、惰性气氛气体为ar或n2中的一种或二种以上。

10、一种采用所述的制备方法制备获得的fe7s8-fep@c碱金属离子电池负极材料。

11、一种采用所述的材料作为负极活性材料在碱金属离子电池中的应用。

12、碱金属离子电池为钠离子电池、锂离子电池或钾离子电池。

13、本发明所要解决的技术问题(发明目的)

14、1.商业化的钠离子电池所用的硬碳类材料往往价格较高，而fe元素和s以及p元素在地壳中含量较高，资源丰富，价格较低。在无定形碳材料中掺杂复合一定量的fe7s8-fep，既可以提高理论比容量，也可以降低成本。

15、2.钠离子电池中应用最广的硬碳类材料比容量较低，倍率及循环性能较差，但是本发明合成出的复合材料的倍率性能和循环表现都有明显的提高。

16、3.本发明中的fe7s8-fep@c复合材料中是由fe7s8和fep两种化合物组成，而两相的存在有利于形成异质结的结构。异质结结构的存在在提高离子传导的同时还可以整体提高复合物的性能。

17、发明技术方案带来的有益效果

18、1.合成出的fe7s8-fep复合材料具有晶面界限的存在，这种结构可以实现快速的电子和离子传输，同时可以提供额外的储钠位点。

19、2.该复合材料具有较好的倍率表现。

技术特征：

1.一种fe7s8-fep@c碱金属离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

3.一种采用权利要求1或2所述的制备方法制备获得的fe7s8-fep@c碱金属离子电池负极材料。

4.一种采用权利要求3所述的材料作为负极活性材料在碱金属离子电池中的应用。

5.按照权利要求1所述的应用，其特征在于：碱金属离子电池为钠离子电池、锂离子电池或钾离子电池。

技术总结本发明涉及一种Fe<subgt;7</subgt;S<subgt;8</subgt;‑FeP@C碱金属离子电池负极材料及其制备与应用属于碱金属电池领域，特别涉及钠离子电池，锂离子电池负极材料及钾离子电池负极材料。制备方法第一步为前驱体的合成，第二步为氮掺杂的Fe<subgt;7</subgt;S<subgt;8</subgt;‑FeP@C复合材料的合成，本发明合成出的复合材料的倍率性能和循环表现都有明显的提高。本发明中的Fe<subgt;7</subgt;S<subgt;8</subgt;‑FeP@C复合材料中是由Fe<subgt;7</subgt;S<subgt;8</subgt;和FeP两种化合物组成，而两相的存在有利于形成异质结的结构。异质结结构的存在在提高离子传导的同时还可以整体提高复合物的性能。技术研发人员：李先锋,王灿沛,郑琼受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/2