[發(fā)明專利]一種用作鋰離子電池負(fù)極材料的二硫化鉬包覆碳納米纖維及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107681142B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張傳玲;姜志浩;劉江濤;盧兵榮;李昊
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發(fā)明公開了一種用作鋰離子電池負(fù)極材料的二硫化鉬包覆碳納米纖維及其制備方法，其特征在于：是在含介孔的碳納米纖維外表面包覆有一層二硫化鉬納米片，制備時(shí)，首先用靜電紡絲的組裝方法制備出含ZIF?8的納米纖維，纖維經(jīng)高溫炭化后形成多孔碳納米纖維，再通過水熱法在碳納米纖維表面包覆一層片狀的二硫化鉬，即獲得用作鋰離子電池負(fù)極材料的目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明為可充放電的鋰離子電池負(fù)極材料，有效解決了塊狀二硫化鉬材料在電池充放電過程中的穩(wěn)定性差和導(dǎo)電性能差的問題，改善了電池的循環(huán)性能和倍率性能，提高了電池循環(huán)過程電子傳輸速率；且制備方法簡單，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可充放電的鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法，屬于電化學(xué)電源領(lǐng)域。

背景技術(shù)

面對當(dāng)前日益緊迫的能源與環(huán)境問題，發(fā)展高效穩(wěn)定的鋰二次電池成為當(dāng)務(wù)之急。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境友好等特點(diǎn)(Energy Environ.Sci.,2014,7,3320–3325)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品以及動(dòng)力或儲(chǔ)能電池等領(lǐng)域。目前,商用鋰離子電池石墨負(fù)極材料比容量較低、倍率性能差,商業(yè)用碳的理論比容量為372mAh g^-1(Journal of Alloys and Compounds 673(2016)215-219)，且存在較大的安全隱患，因此開發(fā)新型的負(fù)極材料成為目前該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

近年來，隨著鋰離子電池研究的日益深入，人們發(fā)現(xiàn)碳材料與金屬硫化物或者氧化物的協(xié)同作用，有利于提高鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性。二硫化鉬是一種具有片狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬硫化物，有著類似三明治狀的夾層結(jié)構(gòu)，每個(gè)鉬原子與六個(gè)硫元素成鍵，形成三棱柱配位模型。這種有著與氧化石墨烯類似結(jié)構(gòu)的片狀化合物通過弱的范德華力相連，層間的S-Mo-S原子之間通過強(qiáng)的共價(jià)鍵連接，因此，層內(nèi)作用力較強(qiáng)，而層間相對較弱(Chem.Commun.,2011,47,4252–4254)。這種物質(zhì)目前主要應(yīng)用在固體潤滑劑、光催化、電催化、超級電容器、鋰離子電池負(fù)極材料等領(lǐng)域。作為鋰離子電池的負(fù)極材料，它具有較高的理論比容量(～670mAh g^-1)、無污染等優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注。但片狀的二硫化鉬的表面能比較高，在范德華力相互下，會(huì)堆疊在一起，不利于電子傳輸。另外，層與層之間的間距大約為0.615nm，由于片與片之間的距離小，純的二硫化鉬在鋰離子進(jìn)入的時(shí)候會(huì)對片狀二硫化鉬有沖擊作用，使片狀結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而引發(fā)電池膨脹，最終導(dǎo)致電池循環(huán)性能較差(Angew.Chem.2016,128,12975–12980)。這些缺點(diǎn)阻礙著二硫化鉬在鋰電池方面的廣泛應(yīng)用。

因此，改善二硫化鉬的導(dǎo)電性與電池循環(huán)過程中體積膨脹問題，對于其作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究與發(fā)展具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供了一種用作鋰離子電池負(fù)極材料的二硫化鉬包覆碳納米纖維及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有二硫化鉬的導(dǎo)電性差和在電池充放電過程中的體積膨脹問題，以改善電池的循環(huán)性能和倍率性能，提高穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明首先公開了一種用作鋰離子電池負(fù)極材料的二硫化鉬包覆碳納米纖維，是在含介孔的碳納米纖維外表面包覆有一層二硫化鉬納米片。

本發(fā)明還公開了二硫化鉬包覆碳納米纖維的制備方法，其特點(diǎn)在于：是以聚丙烯腈PAN和金屬有機(jī)框架ZIF-8作為前驅(qū)體，通過靜電紡絲的方法制備出納米纖維，然后在惰性氣體保護(hù)下經(jīng)過800～1100℃碳化，制得多孔(主要為介孔)的碳納米纖維；再用水熱法在所述碳納米纖維外表面包覆一層二硫化鉬納米片，即制得用于作為鋰離子電池負(fù)極材料的二硫化鉬包覆碳納米纖維CNF-Z@MoS₂。具體包括如下步驟：