对电极材料硫化亚铁的制备实验条件的优化
摘 要：随着我国科学技术的不断发展，各种电子设备被广泛应用于生活中的各个方面，关于电子设备所使用的电池，锂离子电池是目前使用最多的电池之一，并被社会各界人士所看好，有望成为电动车、混合电力电动车的新型能源。但是现有的锂离子电池还存在着一些不足，其中最突出的问题就是能量密度低，不能够满足部分电子设备的需求。石墨电极是锂离子电池所使用的主要正极材料，但是石墨电极的实际比容量已经达到了它的理论比容量，这就说明使用石墨电极作为正极材料的锂离子电池无法继续优化。所以，目前研制一种高电容量、电化学性能优良的电极材料成为科研人员要完成的首要任务。
关键词：电极材料 锂离子电池 硫化亚铁
本次研究使用了循环伏安法测试硫化亚铁的电极电位，除此而外，在特定溶液中，将铁电极的电位设置为-1.0V合成了硫化亚铁电极，并对硫化亚铁的充放电性能做了进一步研究，研究发现硫化亚铁在Li（FC lI）- Li2S溶体中的放电性能最理想。对于二次熔盐锂电池来说，在铁硫化物阴极的充电与放电的过程中，会出现难溶铁硫化物形成与溶解的现象，此特性对于锂铝合金阳极而言，该电极的反应机理更加的复杂，而且反应速度也更慢。
一、概述
1990年，日本索尼公司研制出一种新型的锂离子电池，此种电池的正负极采用了两种特殊材料，其中电池的负极是由石墨制成，正极由钴酸锂制成，这种锂电池刚一问世就得到了广泛的应用。这种电池的主要优点是工作电压能够达到3.6V，远远高出了普通电池的1.2V，是普通电池的三倍，除此之外，这种新型的锂离子电池的质量比能量也高于镍铬电池。在了解到锂离子电池的优良性能之后，世界上的多数国家都投入了大量的人力、物力来研究这种新型能源，因此锂离子电池也得到了突飞猛进的发展。现如今，锂离子电池已近在社会上的各个领域所应用，成为大部分电子设备的电力来源，如智能手机、电脑、各种便携式设备等。
与二硫化铁相比，人们对硫化亚铁的认知还比较少，特别是在锂离子电池方面。近期，我们课题组就硫化亚铁进行了深入研究，我们将硫化亚铁纳米颗粒与碳纳米线相结合，进行相关的实验操作后，发现所研究对象具有良好的储存锂离子的能力。通过研究结果可以得出结论，减小硫化亚铁颗粒尺寸、建立导电体系可以很大程度上提高硫化亚铁材料的电化学性能。除此而外，由于传统的锂电池组配存在缺陷，使用的粘合剂具有绝缘性，这就导致了材料导电性的降低，从而进一步的影响到了电池使用效率，要想弥补这个缺点，在锂电池的装配中应该避免使用粘合剂。目前所使用最多的方法是直接在3D交联结构的导电集流体中负载活性物质。碳布的使用也可以提高材料导电性，碳布是一种新型的商用化的导电基体材料，拥有很多可利用的特点，它拥有很高的机械强度和较大的表面积，可以被用来作为负载电极活性物质材料。因此，为了有效地提高硫化亚铁材料的存储钠离子、锂离子的能力，结合上述方法制备碳包覆硫化亚铁并负载在碳布纤维上是一种可行的方法。
二、优化
1.实验部分。
1.1试剂与仪器。硫化钠（AR，上海晶纯公司生产），硫酸亚铁（AR，天津市天大化工厂生产），导电炭黑（Super-P，山东炭黑厂生产），金属锂片（北京有色金属研究总院生产），聚丙烯膜（电池级，北京有色金属研究总院生产），LiPF6电解液（电池级，北京有色金属研究总院）。X射线衍射仪（帕纳科公司生产），扫描电镜（日立集团生产），锂电池测试仪（新威尔电子公司生产）。
1.2硫化亚铁样品制备。将硫化钠和硫酸亚铁按照1：1.3的比例配制成一定浓度的稀溶液，然后把所得溶液进行充分搅拌，将硫化亚铁溶液缓慢的加入到硫化钠溶液中并进行搅拌，大约10分钟后，将所得溶液真空抽滤，在真空抽滤的过程中还用对溶液进行多次冲洗，以达到去除多余杂质的目的，最后将其放入真空干燥箱中干燥十小时，干燥完成后把所得固体进行研磨，放到试管炉中，通入氯气氛，在660摄氏度的高温环境中存放三个半小时，最后通过自然冷却得到硫化亚铁固体。
1.3硫化亚铁表征与性能测试。用X射线衍射仪对所制备的硫化亚铁样本品测试晶体结构，然后使用扫描电镜对其感官特征进行观察。以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将FeS、导电碳黑、粘结剂PVDF按照质量比为8：1：1的比例完全混合，进行充分的搅拌后球磨2小时，将其涂抹在铜箔电极上，然后放到真空烘干箱中烘干。
2.结果与讨论。
2.1晶体结构特征分析。根据所做实验的结果可以看出，制备出的硫化亚铁样品的成晶状态比较理想，几个衍射峰与硫化亚铁的标准衍射峰基本相同。根据硫化亚铁在扫描电镜的观察结果来看，硫化亚铁的颗粒半径极小，已经达到了微米级别，除此之外，通过此种制备方法所得到的硫化亚铁颗粒表面十分光滑，没有出现表面不平整的现象，而且在整个实验过程中，没有发现多余杂质。
2.2电化学性能测试。根据实验结果可见，硫化亚铁在放电的过程中表现出了两段放电平台，放电平台所对应的电压分别在1.4V和0.9V左右，与硫化亚铁的放电曲线不同，其充电曲线在平台特征表现上并不明显，仅由一段倾斜的线和一段微小的平台组成。
为了深入对硫化亚铁反应机理的研究，我们从新设定电池的充放电电压范围，在充放电的过程中，可以看出硫化锂的充电曲线与之前相比变的更加平稳，平台特征不明显，这种现象的产生可能是因为硫化锂的电子电导率比较低。随着实验循环次数的逐渐增加，容量出现衰减，但是硫化亚铁的放电平台特性并没有发生变化，平台特性依然明显，所以表面包裹处理可以进一步提高材料性能。为了研究硫化亚铁在不同电流密度下的充放电特征，我们设置了不同的充放电制度，观察得出结论，当充放电制度为快放慢冲的情况下，硫化亚铁的可逆容量保持率良好，当充电电流密度持续增长时，锂离子的释放难度加大，这也是因为硫化锂电子电导率低造成的。
综上所述，本文的硫化亚铁样品通过沉淀法制备，并将硫化亚铁作为锂离子电池的负极材料惊醒了相关的电化学性能测试、分析，通过实验得出了结果，硫化亚铁分别对应两种不同的化学反应，出现了两个阶段的充放电平台，并且硫化亚铁比较适合快速充电、慢速放电的充放电模式，一旦充电电流密度增加，部分锂离子不能充分释放。从研究的结果上看，合成的硫化亚铁电极虽然具有良好的化学特性，但是距离实际应用还有很长的路要走，集流体是构成硫化亚铁电极的主要结构之一，如果想用泡沫镍充当集流体，首先要做的是将集流体表面电镀上一层铁，然后再把所得材料放到熔盐体系中通过化学合成的方法合成硫化亚铁，目前泡沫镍的孔隙、镀铁层的厚度对电池使用性能的影响并不明确，需要人们进一步研究。
参考文献：
[1]景海艇，郑晓冬.硫化亚铁作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究[J].化学工程与装备，2015，12（6）：24-26.
[2]陈俊蛟，黄英，黄海舰.超级电容器电极材料研究进展[J].材料开发与应用，2015，30（1）：90-95.
[3]张宁，刘永畅，陈程成，等.钠离子电池电极材料研究进展[J].无机化学学报，2015，31（9）：1739-1750.
[4]薛璐璐，秦占斌，高筠，等.超级电容器电极材料研究最新进展[J].电子元件与材料，2015，11（1）：44-48.
[5]王存国，潘璇，张雷，等.高容量锂离子电池核壳型硅/碳复合电极材料的制备与性能[J].高等学校化学学报，2015，36（2）：368-374.
[6]邵婉莹，唐治钫，张振华，等.硫化亚铁氧化反应的研究[J].安全与环境学报，2015，15（5）：119-122.
[7]张亚楠，钟宏，王帅.无氧条件硫化亚铁还原氧化锰矿的过程与机理[J].中国锰业，2016，34（1）：32-36.
[8]修丽群，穆超，刘丽丽，等.影响硫化亚铁产生的因素实验研究[J].當代化工，2015，21（7）：1493-1495.
作者简介：欧阳海平（1980.12—）男。籍贯：江西万载。学历：本科、硕士学位。职称：讲师。研究方向：应用化学。肖勇（1962.05—）男。籍贯：湖北武汉。学历：本科。职称：讲师。研究方向：应用化学。