[發(fā)明專利]自支撐五硫化二銻/三維石墨烯納米復合材料的制備及在鈉離子電池中的應用

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• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107611408A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 陳軍;盧艷瑩;陶占良;周蒙;李海霞;于川茗
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 天津耀達律師事務所12223
• 代理人: 侯力

技術領域

本發(fā)明涉及一種鈉離子電池用五硫化二銻/三維石墨烯納米復合材料，特別是一種五硫化二銻納米顆粒與三維石墨烯復合材料的制備方法及其儲鈉應用，屬于新型化學電源領域。

背景技術

鈉離子電池由于鈉資源儲量豐富、價格低廉而受到廣泛關注。然而，鈉離子較大的半徑使其在電極材料中脫嵌緩慢。對于塊體材料來說，這種問題更加嚴重。目前，鈉離子電池體系關鍵問題之一是開發(fā)出高性能的電極材料。五硫化二銻作為一種新型的負極材料，在鈉離子電池體系當中還未見報道。因此，對其在鈉離子電池當中的應用以及相關反應機理進行詳細研究十分必要。五硫化二銻這種二元金屬化合物，不僅符合作為負極材料需要具備的高容量等性能方面的要求，而且還符合材料含量豐富程度的要求，制備該材料的原材料在中國的儲量十分豐富，有成為商業(yè)化材料的先天優(yōu)勢。

相比于塊體材料，納米材料能有效縮短離子擴散距離，增加材料的活性表面積，因此有助于充分發(fā)揮材料的高容量大倍率性能。盡管如此，納米化的材料通常容易團聚，而且大多數(shù)電極材料的導電性差。將納米化材料與高導電性的石墨烯復合可有效解決上述問題。但大多數(shù)復合后的材料在電極制備過程中仍需添加絕緣的粘結劑和低容量的導電劑。這會大大降低電池整體的能量密度。而制備自支撐的納米顆粒與石墨烯的復合材料仍是個挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題，提供一種新型的鈉離子電池負極材料。

本發(fā)明的亮點在于將五硫化二銻納米顆粒與三維石墨烯混合，通過簡單的水熱反應，最終制得具有自支撐特性的泡沫狀材料，整個反應過程簡單易行，重復性強。將制得的材料應用在鈉離子電池體系當中，能夠表現(xiàn)出高的可逆容量，長循環(huán)壽命及高倍率性能。同時，原材料五硫化二銻相比于常見的電極材料，價格更低廉，使電池的成本大幅度降低。

本發(fā)明的技術方案：

具有自支撐特性的五硫化二銻(Sb₂S₅)納米顆粒和石墨烯進行負載的復合材料(Sb₂S₅-GF)制備方法，包括以下步驟：

1)氧化石墨烯(GO)分散液的制備：通過Hummers方法首先制得氧化石墨烯，再根據(jù)實驗要求，配置成所需濃度的分散液。本實驗采用的氧化石墨烯分散液濃度為10mg mL^-1。

2)Sb₂S₅納米顆粒和石墨烯進行負載的自支撐復合材料的前驅體溶液的制備：首先通過參考文獻合成Na₃SbS₄·9H₂O，并將其配置成濃度約為0.01mol L^-1的溶液。取6-16mL上述溶液，與0.8-1mL上述步驟1)所配的GO分散液混合，形成均一混合液。根據(jù)反應方程式2Na₃SbS₄+6HCl＝Sb₂S₅+6NaCl+3H₂S，加入0.227-2.27mL的HCl并調節(jié)濃度在0.1mol L^-1。在磁力攪拌下逐滴加入到上述混合液當中，使反應生成的Sb₂S₅納米顆粒均勻地生長在石墨烯片層表面。最后，向上述溶液當中滴加0.632mL濃度為1mol L^-1的抗壞血酸溶液。

3)Sb₂S₅-GF的制備：將步驟2)中的溶液轉移到50mL的Teflon管中，并用密閉的不銹鋼反應釜密封，于90℃下加熱反應6小時。將反應形成的石墨烯泡沫復合材料置于冷凍干燥機中冷凍干燥，最終得到Sb₂S₅-GF復合材料。

本發(fā)明同時提供了Sb₂S₅-GF復合材料的應用，將Sb₂S₅-GF用作鈉離子二次電池負極，其形式為紐扣式電池。