FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式設(shè)備的主要電源。近年來，電動工具、電動助力車和電動汽車等領(lǐng)域發(fā)展為鋰離子電池提供了良好的應(yīng)用前景。鋰離子電池的性能主要取決于鋰離子電池的電極材料。
[0003]其中，硫化亞鐵FeS以其價格、環(huán)境相容性好等優(yōu)點(diǎn)成為具有潛力的新一代鋰離子電極材料。另外，硫化亞鐵FeS具有較高的嵌鋰電壓(1.3V)和理論容量(609mA h g—1)。但是，硫化亞鐵作為鋰離子電極材料，存在的主要問題是在充放電過程中有很大的體積膨脹，導(dǎo)致電極材料的粉化剝落，從而限制了電極材料的循環(huán)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有的FeS作為鋰離子電極材料時在充放電過程中有很大的體積膨脹，導(dǎo)致電極材料的粉化剝落的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種提供了一種能夠避免FeS在充放電過程中體積膨脹的FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法。
[0005]FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0006]I)、使用鐵箔作為基底，鐵箔基底的純度>99%，鐵箔的厚度為0.05mm，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中分別進(jìn)行超聲波清洗，將清洗好的基底干燥后備用；
[0007]2)、將 0.5mmol 六水氯化鐵(FeCl3.6H20)和 2mmol 硫脲(NH2CSNH2)溶解于 30mL去離子水中磁力攪拌形成均勻溶液；
[0008]3)、將鐵箔基底傾斜地倚靠在反應(yīng)釜壁上，量取適量均勻溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，鐵箔基底浸入均勻溶液中；將反應(yīng)釜密封并置于恒溫干燥箱中，均勻溶液和鐵箔基底在反應(yīng)釜中反應(yīng)生成FeS微米球；反應(yīng)完成后將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，再將鐵箔基底從反應(yīng)釜取出，用無水乙醇依次沖洗-超聲潑清洗-沖洗，并在恒溫干燥箱中干燥，得到最終產(chǎn)物FeS微米球結(jié)構(gòu)的薄膜。
[0009]進(jìn)一步，步驟I)中，超聲波清洗時間為20min。
[0010]進(jìn)一步，步驟3)中，均勻溶液填充反應(yīng)釜的80%，反應(yīng)時恒溫干燥箱的溫度為160°C，干燥時間為12h ;鐵箔基底沖洗后，在恒溫干燥箱中60°C，干燥5h。
[0011]FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜，包括鐵箔基底和原位生長于鐵箔基底上的FeS微米球，每個FeS微米球由FeS納米片聚集形成。
[0012]進(jìn)一步，F(xiàn)eS微米球?yàn)樗姆搅蜩F礦型。
[0013]本發(fā)明將鐵箔基底浸入黑色均勻溶液中，黑色均勻溶液為反應(yīng)溶液，通過水熱法使FeS原位生長于鐵箔基底上。反應(yīng)初始階段，鐵箔基底上生長出大量的FeS納米片；反應(yīng)中期，F(xiàn)eS納米片開始聚集；反映末期，F(xiàn)eS納米片完全聚集形成FeS微米球。由于反映過程中，鐵箔基底一直浸在均勻溶液中，在鐵箔基底表面生長出大量均勻的FeS納米片，隨著反應(yīng)時間延長，眾多的FeS納米片聚集形成FeS微米球，因此，F(xiàn)eS微米球中的每個FeS納米片均能夠與反應(yīng)液體接觸，增大了 FeS薄膜的有效面積。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:l)FeS納米片聚集成球體增加了與電解質(zhì)的接觸面積，并減小了電子的擴(kuò)散長度，從而提高了容量性能。(2)FeS微米球具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可有效緩沖由于體積變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。(3)與傳統(tǒng)的制備方法相比，F(xiàn)eS電極材料直接長在鐵箔基體上，鐵箔基體可以作為集流體，使FeS與集流體有很好的電接觸，從而提高了其導(dǎo)電性能，并簡化了電池制備工藝。
【附圖說明】
[0015]圖1是FeS微米球陣列薄膜的XRD衍射譜。
[0016]圖2是FeS微米球的低倍SEM圖。
[0017]圖3是FeS微米球的高倍SEM圖。
[0018]圖4是鐵箔基底和均勻溶液在反應(yīng)釜中反應(yīng)過程的示意圖，(a)是反應(yīng)前期的示意圖；(b)是反映中期的不意圖；(C)是反映后期的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]參考附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明:
[0020]FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0021]I)、使用鐵箔作為基底，鐵箔基底的純度>99%，鐵箔的厚度為0.05mm，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中分別進(jìn)行超聲波清洗20min，將清洗好的基底干燥后備用；
[0022]2)、將 0.5mmol 六水氯化鐵(FeCl3.6H20)和 2mmol 硫脲(NH2CSNH2)溶解于 30mL去離子水中磁力攪拌形成均勻溶液；
[0023]3)、將鐵箔基底傾斜地倚靠在反應(yīng)釜壁上，量取適量均勻溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，均勻溶液填充反應(yīng)釜的80%，將反應(yīng)釜密封并置于溫度為160°C的恒溫干燥箱中12h ;如圖4所示，在反應(yīng)到達(dá)3h時(反應(yīng)前期)，在鐵箔基底生長出大量的納米片；在反應(yīng)到達(dá)6h (反應(yīng)中期)，納米片長大并開始聚集；在反應(yīng)到達(dá)9h (反應(yīng)后期)，片狀已經(jīng)完全聚集，形成微米球狀。
[0024]反應(yīng)后將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，再將基底從反應(yīng)釜取出，用無水乙醇依次沖洗-超聲潑清洗-沖洗，并在恒溫干燥箱中60°C，5h干燥，得到最終產(chǎn)物FeS微米球結(jié)構(gòu)的薄膜；
[0025]由上述方法制備得到的FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜，包括鐵箔基底和原位生長于鐵箔基底上的FeS微米球，每個FeS微米球由FeS納米片聚集形成。
[0026]FeS微米球?yàn)樗姆搅蜩F礦型。
[0027]本發(fā)明將鐵箔基底浸入黑色均勻溶液中，黑色均勻溶液為反應(yīng)溶液，通過水熱法使FeS原位生長于鐵箔基底上。反應(yīng)初始階段，鐵箔基底上生長出大量的FeS納米片；反應(yīng)中期，F(xiàn)eS納米片開始聚集；反映末期，F(xiàn)eS納米片完全聚集形成FeS微米球。由于反映過程中，鐵箔基底一直浸在均勻溶液中，在鐵箔基底表面生長出大量均勻的FeS納米片，隨著反應(yīng)時間延長，眾多的FeS納米片聚集形成FeS微米球，因此，F(xiàn)eS微米球中的每個FeS納米片均能夠與反應(yīng)液體接觸，增大了 FeS薄膜的有效面積。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:l)FeS納米片增加了與電解質(zhì)的接觸面積，并減小了電子的擴(kuò)散長度，從而提高了容量性能。(2) FeS微米球由大量納米片聚集而成，具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。(3)與傳統(tǒng)的制備方法相比，F(xiàn)eS電極材料直接長在鐵箔基體上，鐵箔基體可以作為集流體，使每個FeS片均與集流體有很好的電接觸，從而提高了其導(dǎo)電性能，并簡化了電池制備工藝。
[0029]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，包括以下步驟: 1)、使用鐵箔作為基底，鐵箔基底的純度>99%，鐵箔的厚度為0.05mm，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中分別進(jìn)行超聲波清洗，將清洗好的基底干燥后備用； 2)、將0.5mmol六水氯化鐵(FeCl3.6H20)和2mmol硫脲(NH2CSNH2)溶解于30mL去離子水中磁力攪拌形成均勻溶液； 3)、將鐵箔基底傾斜地倚靠在反應(yīng)釜壁上，量取適量均勻溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，鐵箔基底浸入均勻溶液中；將反應(yīng)釜密封并置于恒溫干燥箱中，均勻溶液和鐵箔基底在反應(yīng)釜中反應(yīng)生成FeS微米球；反應(yīng)完成后將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，再將鐵箔基底從反應(yīng)釜取出，用無水乙醇依次沖洗-超聲潑清洗-沖洗，并在恒溫干燥箱中干燥，得到最終產(chǎn)物FeS微米球結(jié)構(gòu)的薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于:步驟I)中，超聲波清洗的時間為20min。
3.如權(quán)利要求2所述的FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于:步驟3)中，均勻溶液填充反應(yīng)釜的80%，反應(yīng)時恒溫干燥箱的溫度為160°C，干燥時間為12h ;鐵箔基底沖洗后，在恒溫干燥箱中60 °C，干燥5h。
4.FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜，其特征在于:包括鐵箔基底和原位生長于鐵箔基底上的FeS微米球，每個FeS微米球由FeS納米片聚集形成。
5.如權(quán)利要求4所述的FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜，其特征在于:FeS納米片為四方硫鐵礦型。
【專利摘要】FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，包括使用鐵箔作為基底，清洗基底干燥后備用；制備黑色均勻的反應(yīng)溶液；將黑色均勻溶液填充反應(yīng)釜，鐵箔基底傾斜地倚靠在反應(yīng)釜壁上，密封并將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱；反應(yīng)后將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，將鐵箔基底取出，用無水乙醇依次沖洗-超聲波清洗-沖洗，干燥得到FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜。FeS微米球結(jié)構(gòu)薄膜，包括鐵箔基底和原位生長于鐵箔基底上的FeS微米球，每個FeS微米球由FeS納米片聚集形成。本發(fā)明具有能夠緩沖FeS在充放電過程中體積反復(fù)變化的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01M4-136, H01M4-1397
【公開號】CN104538587
【申請?zhí)枴緾N201410765571
【發(fā)明人】邢程程, 劉嘉斌, 汪牡丹, 曹可, 黃六一, 孟亮, 方攸同
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月12日