本发明涉及一种金属掺杂储能材料，具体涉及一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料及其制备方法和应用，属于储能材料开发。
背景技术：
1、黄铁矿是地壳中分布最广泛的硫化矿物，其主要成分fes2是二次电池电极材料理想的替代者，具有克容量大(理论比容量为890mah/g)、资源丰富、无毒环保(fe和s均无毒)、电压平台宽等优异特性，成为目前研究的一个热点；同时黄铁矿具有独特的磁性和光电性质,是能源储存应用中有潜力的材料之一；目前已有研究人员将天然黄铁矿直接作为二次电池电极材料使用，但是在电池的循环过程中,由于其导电性差、体积膨胀过大和可溶性多硫化物穿梭等缺点,限制了它的应用。
2、因此，开发一种高容量、循环性能佳、制备方法简单的黄铁矿基电池材料具有重要的意义。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料，该储能材料基于黄铁矿的较高的理论比容量，通过过渡金属掺杂改性，大幅提高黄铁矿的能量带隙，有效减少材料缺陷，从而促进电子传输，增加界面电子转换效率。
2、本发明的第二个目的在于提供一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，该制备方法基于各组分间的协同作用，通过超声高速剪切作用力，将黄铁矿-氧化剂-掺杂金属同步溶解反应，黄铁矿基体具有丰富的异相掺杂缺陷，为过渡金属提供了丰富的掺杂位点，而通过调控三者的比例，可定向调节材料的比容量、倍率性能等参数，从而得到综合性能优异的储能材料。
3、本发明的第三个目的在于提供一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的应用，用于制备二次电池负极材料。本发明所提供的储能材料具有高比容量、高倍率、无体积效应和稳定性好等优点，基于本发明所提供储能材料制备的二次电池负极，经测试，所得锂离子电池循环100圈的比容量为均在1200ma g-1以上，所得钠离子电池循环100圈的比容量为均在700ma g-1以上。
4、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，将黄铁矿粉末加入水中，得到悬浮液a；向悬浮液a中加入氧化剂和可溶性金属盐混合均匀，经过超声高速剪切，得到悬浮液b；悬浮液b经过滤和烘干后于碳源混合并焙烧，即得；所述黄铁矿与水的质量比为1：1～50；所述氧化剂在悬浮液b中质量百分比浓度为0.05％～2％；所述可溶性金属盐在悬浮液b中物质的量浓度为0.2～2mol/l；所述可溶性金属盐为可溶性钴盐、可溶性镍盐、可溶性锌盐和可溶性铜盐中的至少一种。
5、作为一项优选的方案，所述黄铁矿粉末为天然黄铁矿或高纯黄铁矿精矿，纯度≥90％。
6、作为一项优选的方案，所述黄铁矿的粒径为1～100微米。
7、作为一项优选的方案，所述黄铁矿与水的质量比为1：4～29。进一步优选，所述黄铁矿与水的质量比为1：9～19。
8、作为一项优选的方案，所述黄铁矿的纯度≥95％，粒径为1～50微米。进一步优选，所述黄铁矿的粒径为1～20μm。
9、作为一项优选的方案，所述超声高速剪切采用超声均质机执行，其条件为：转速为5000～6500r/min，时间为1～8h。进一步优选，所述超声均质机的条件为：6000r/min，时间为2～6h。
10、作为一项优选的方案，所述氧化剂为双氧水、高氯酸、次氯酸、次氯酸钠、臭氧和高锰酸钾中的至少一种。
11、作为一项优选的方案，所述可溶性金属盐为氯化钴、硫酸镍、氯化锌和硫酸铜中的至少一种。
12、作为一项优选的方案，所述氧化剂在悬浮液b中质量百分比浓度为0.1％～1％。
13、作为一项优选的方案，所述可溶性金属盐在悬浮液b中物质的量浓度为0.5～1mol/l。
14、作为一项优选的方案，所述碳源为聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚呲咯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚烯烃树脂和酚醛树脂等高分子聚合物中的至少一种。本发明所选用的碳源为包裹性高分子碳源，其目的一方面在于利用碳源优良的包裹性形成一体化前驱体，从而保证煅烧所得产物具有均匀的碳包裹层，另一方面则是本发明制备过程的中间体和产物颗粒较大，高分子碳源可以避免吸附力不足而导致煅烧过程中的脱落，如果采用二维碳源，如石墨、石墨烯或氧化石墨烯则无法保证这一点，会产生碳层各异向性和脱落的问题。
15、作为一项优选的方案，所述黄铁矿基储能材料中，黄铁矿与碳源的质量比为1:1～10。进一步优选，所述黄铁矿基储能材料中，黄铁矿与碳源的质量比为1:1～5。
16、作为一项优选的方案，所述焙烧温度为550～900℃，焙烧时间为1～5h。进一步优选，所述焙烧温度为600～750℃，焙烧时间为2～3h。
17、本发明还提供了一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料，由上述任意一项所述的制备方法制得。
18、本发明还提供了一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的应用，用于制备二次电池负极材料。
19、相对于现有技术，本发明技术方案所带来的有益技术效果为：
20、1)本发明所提供的黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料，基于黄铁矿的较高的理论比容量，通过过渡金属掺杂改性，大幅提高黄铁矿的能量带隙，有效减少材料缺陷，从而促进电子传输，增加界面电子转换效率。
21、2)本发明所提供的制备方法基于各组分间的协同作用，通过超声高速剪切作用力，将黄铁矿-氧化剂-掺杂金属同步溶解反应，黄铁矿基体具有丰富的异相掺杂缺陷，为过渡金属提供了丰富的掺杂位点，而通过调控三者的比例，可定向调节材料的比容量、倍率性能等参数，从而得到综合性能优异的储能材料；
22、3)本发明所提供的储能材料具有高比容量、高倍率、无体积效应和稳定性好等优点，基于本发明所提供储能材料制备的二次电池负极，经测试，所得锂离子电池循环100圈的比容量为均在1200ma g-1以上，所得钠离子电池循环100圈的比容量为均在700ma g-1以上。
1.一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：将黄铁矿粉末加入水中，得到悬浮液a；向悬浮液a中加入氧化剂和可溶性金属盐混合均匀，经过超声高速剪切，得到悬浮液b；悬浮液b经过滤和烘干后于碳源混合并焙烧，即得；所述黄铁矿与水的质量比为1：1～50；所述氧化剂在悬浮液b中质量百分比浓度为0.05％～2％；所述可溶性金属盐在悬浮液b中物质的量浓度为0.2～2mol/l；所述可溶性金属盐为可溶性钴盐、可溶性镍盐、可溶性锌盐和可溶性铜盐中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述黄铁矿粉末为天然黄铁矿或高纯黄铁矿精矿，纯度≥90％；所述黄铁矿的粒径为1～100微米。
3.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述黄铁矿与水的质量比为1：4～29；所述黄铁矿的纯度≥95％，粒径为1～50微米。
4.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述超声高速剪切采用超声均质机执行，其条件为：转速为5000～6500r/min，时间为1～8h。
5.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述氧化剂为双氧水、高氯酸、次氯酸、次氯酸钠、臭氧和高锰酸钾中的至少一种；所述可溶性金属盐为氯化钴、硫酸镍、氯化锌和硫酸铜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述氧化剂在悬浮液b中质量百分比浓度为0.1％～1％；所述可溶性金属盐在悬浮液b中物质的量浓度为0.5～1mol/l。
7.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述碳源为聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚呲咯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚烯烃树脂和酚醛树脂中的至少一种；所述黄铁矿基储能材料中，黄铁矿与碳源的质量比为1:1～10。
8.根据权利要求1所述的一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的制备方法，其过程在于：所述焙烧温度为550～900℃，焙烧时间为1～5h。
9.一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料，其特征在于：由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制得。
10.权利要求9所述一种黄铁矿基过渡金属掺杂储能材料的应用，其特征在于：用于制备二次电池负极材料。