一种锂离子电池负极材料Fe<sub>2</sub>SiS<sub>4</sub>及其复合材料Fe<sub>2</sub>SiS<sub>4</sub>/CPAN的制作方法
【专利摘要】本发明属于能源存储领域，涉及一种锂离子电池负极材料，Fe2SiS4及其复合材料Fe2SiS4/CPAN，所述锂离子电池负极材料是以Fe、Si和S单质为原料，添加或不添加PAN，混合均匀后压片，放入马弗炉中缓慢加热至800–1000℃并反应，获得纯相Fe2SiS4或Fe2SiS4/CPAN。本发明具有以下的合成方法简单易操作，能够实现大批量合成。固相合成方法有利于材料的产业化。本发明所使用的材料来源广、无毒、绿色环保，易于在工业上推广应用。
【专利说明】
一种锂离子电池负极材料Fe2S i S4及其复合材料Fe2S i S4/CPAN
技术领域
[0001 ]本发明属于能源存储领域，涉及一种新型负极材料Fe2SiS4及其复合材料Fe2SiS4/CPAN(碳化聚丙稀腈)。本发明还涉及Fe2SiS4的合成方法。
【背景技术】
[0002]目前，能源短缺问题变得越来越突出，而储能器件在现代社会中发挥着重要的作用。作为储能器件家族的一名重要成员，锂离子电池已经被广泛应用到各个领域，像电脑、手机、手表、电动自行车等。尽管锂离子电池已经商业化，但是它的能量密度限制了其在一些高能领域的应用，比如电动汽车和输电网路行业。
[0003]作为锂离子电池的重要组分，负极材料性能的优劣极大地影响着整个电池性能的好坏。因此，探索新型负极材料很有必要。铁和硫原料丰富、价格便宜、无毒、绿色环保等优点，已经得到了人们的广泛关注和研究。Fe2SiS4拥有比商业化的石墨负极材料(372Amh/g)高的理论容量(400Amh/g)，迄今还未见其电化学性能方面的报道。在合成Fe2SiS4的方法上，有固相法、液相法、高能球磨法等。然而，上述制备方法大多比较复杂，不易实现大规模生产。本发明采用一种简单的固相方法合成了 Fe2SiS4并且制备了它与碳的复合材料Fe2SiS4/CPAN，同时还研究它用作锂离子电池负极材料的电化学性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种新型锂离子电池负极材料Fe2SiS4及其复合材料Fe2SiS4/CPAN,以及它们的合成方法。
[0005 ]本发明通过以下方法实现:
[0006]一种锂离子电池负极材料，是Fe2SiS4或Fe2SiSVCPANt3Fe2SiS4是通过下述方法制得:以Fe、Si和S单质为原料，比例为2:1:4，混合均匀后压片，放入马弗炉中缓慢加热至800-1000 °C并反应24小时，获得纯相Fe2SiSh复合材料Fe2SiS4/CPAN是将一定质量的Fe、S1、S单质和PAN混合压片，封入石英管，经过与上述相同的热处理程序得到的。
[0007]本发明公开了Fe2SiS4及Fe2SiSVCPAN作为锂电池负极材料的应用。
[0008]本发明还公开了以上述Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN为负极活性材料制成的电池。Fe2SiS4或Fe2SiS4/CPAN作为活性材料，炭黑作为导电剂，PVDF作为粘结剂，三种物质的比例为8:1:1，磁力搅拌4个小时，利用涂布机将浆料均匀涂布在铜箔上，80°C保温8小时。干燥后切成Fe2Si S4电极片，然后120 °C真空干燥12小时。在手套箱中组装电池。
[0009]本发明首次将Fe2SiS4及其复合材料Fe2SiS4/CPAN作为锂离子电池负极活性材料组装电池，并测试它的电化学性能。在0.2C的电流密度下，复合材料Fe2SiS4/CPAN的首次放电容量高达962mAh/g，明显高于已经商业化的石墨负极(372Amh/g)。经过100次循环后，容量依就保持在323mAh/g。
[0010]本发明具有以下的优点:
[0011 ] (I)合成方法简单易操作，能够实现大批量合成。固相合成方法有利于材料的产业化。
[0012](2)本发明所使用的材料来源广、无毒、绿色环保，易于在工业上推广应用。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例产物Fe2SiS4、Fe2SiS4/CPAN和标准Fe2SiS4的XRD对比图。
[0014]图2分别为采用本发明方法制备的Fe2SiS4(a)和Fe2SiS4/CPAN(b)的SEM图。
[0015]图3为本发明方法制备的Fe2SiS4/CPAN的EDS分析。
[0016]图4为Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN用作锂离子电池负极材料的充放电测试数据。
[0017]图5为Fe2SiS4/CPAN倍率性能测试数据。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图进行进一步的详细说明。
[0019]实施例
[0020]称取总质量240mg(Fe/Si/S摩尔比为2:1:4)的？6、3丨、3。称取6011^ PAN，充分研磨至较细粉末。将称量好的药品加入研磨好的PAN粉末中，研磨至混合均匀。将原料压片后真空封入石英管并转移至马弗炉程序控温。用10小时从室温升温至300°C并且保温10小时。然后再经过10小时升温至800-1000°C，保温24小时，停止程序。冷却至室温后打开石英管取出产物，研磨好备用。纯的Fe2SiS4与上述操作相同。产物特性:
[0021]图1是实施例固相反应产物Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN的XRD图。反应得到Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN 的 XRD 图与 Fe2SiS4 的理论 XRD 图一致。
[0022]图2是采用本发明方法对应实施例中固相反应产物的Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN的SEM图。高温烧结出来的Fe2SiS4为大小不均匀的块状颗粒，而与PAN复合后的Fe2SiS4/CPAN为多孔状，Fe2SiS4的小颗粒分散在碳化后的CPAN孔隙里。
[0023]图3是EDS分析。通过不同元素面分布的分析可知Fe2SiS4/CPAN中各个元素分布均匀，与前面SEM分析结果一致。
[0024]图4是Fe2SiS4和Fe2SiS4/CPAN用作锂离子电池负极材料时的电化学数据。从图中可以看出，纯的Fe2SiS4用作锂离子电池负极材料时，在0.2C(80Am/g)电流下具有830mAh/g的初始放电比容量(充放电电压范围在0.01-3.0V之间)，经过100次循环后容量仅剩140mAh/g。与纯的Fe2SiS4相比，Fe2SiS4/CPAN首次放电容量高达962mAh/g，100次循环后容量依就保持在323mAh/g，有着良好循环性能。
[0025]图5是Fe2SiS4/CPAN倍率性能测试。由图中可以看出，当充放电的电流密度为0.1C、0.2(:、0.8(:、1(:以及2(:时，它的放电容量分别保持在74911^11/^、52111^11/^、37111^11/^、35511^11/g和170mAh/g。当电流密度回到0.1(:时，它的容量能够回到50111^11/^，说明与?4~复合后的Fe2SiS4具有良好的倍率性能。
[0026]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
【主权项】
1.一种锂离子电池负极材料，是Fe2SiS4或Fe2SiS4/CPAN。2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，是通过下述方法制得:以Fe、Si和S单质为原料，添加或不添加PAN，混合均匀后压片，放入马弗炉中缓慢加热至800-1000°C 并反应，获得纯相 Fe2SiS4 或 Fe2SiS4/CPAN。3.根据权利要求1所述的电池负极材料，其特征在于，Fe、Si和S的比例为2:1:4。4.一种锂离子电池负极材料的合成方法，其特征在于，以Fe、Si和S单质为原料，添加或不添加PAN，混合均匀后压片，放入马弗炉中缓慢加热至800-1000 °C并反应，获得纯相Fe2SiS4 或 Fe2SiS4/CPAN。5.Fe2SiS4及Fe2SiS4/CPAN对乍为锂电池负极材料的应用。6.—种以Fe2SiS4或Fe2SiS4/CPAN为负极活性材料制成的电池，其特征在于，其电极片是以权利要求1所述的锂离子电池负极材料作为活性材料制成。
【文档编号】C01G49/00GK106025224SQ201610538542
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】郭胜平, 李加闯, 薛怀国
【申请人】扬州大学