[發明專利]多孔硫化錳與石墨烯復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 201810017807.4
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108365185A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 陳志文;胡志翔;羅志剛;李琦;陳大勇
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明涉及一種作為鋰電池負極材料的多孔硫化錳與石墨烯復合材料及其制備方法。本發明方法的主要過程和步驟如下：采用合適的錳源和硫源，與氧化石墨烯形成均一的混合溶液，利用水熱法，反應結束后進一步的煅燒過程提高復合材料的結晶度，最終得到多孔硫化錳與石墨烯復合材料。本發明制得復合材料具有良好的導電性與結構穩定性，硫化錳微球表面具有凹凸結構及內部具有微孔結構，微孔結構減少了鋰離子的傳輸路徑，凹凸結構提供了更多的位點和更大的比表面積來儲存鋰離子和與電解液充分接觸。石墨烯的引入為充放電過程的體積變化提供了緩沖空間，提高復合材料的循環穩定性。本發明制得復合材料可用于鋰離子電池的制備并可提高鋰離子電池的性能。

技術領域

本發明涉及一種作為鋰電池負極材料的多孔硫化錳與石墨烯復合材料的制備方法，屬鋰離子電池負極材料技術領域。

背景技術

當今，由于全球化石燃料能源的枯竭和日漸突出的環境污染問題，如：霧霾和水污染等，因此開發新一代清潔能源的急迫性日益重要。而可充電的鋰離子電池作為新一代的儲能設備日益受到關注。所以，開發低成本，環境友好，具有長時間穩定循環，高容量和高倍率的電極材料是非常重要的。由于電極材料在可充電的鋰離子電池中扮演著重要的角色。眾所周知，現在商用鋰離子電池的負極為石墨，理論比容量只有372mAh/g，這嚴重限制了進一步發展高容量鋰離子電池。而過度金屬硫化物（MoS₂,WS₂,SnS₂）好多具有600mAh/g-1100mAh/g的可逆比容量，是理想負極材料替代商用中的鋰離子電池石墨負極材料。近來，硫化物在諸多領域引起了研究者們的關注，例如，超級電容器，太陽能電池，半導體，鋰離子電池，氣敏材料，催化材料等。然而，純相的過渡金屬作為鋰離子電池負極材料時往往在充放電鋰離子嵌入脫出過程中，材料發生體積坍塌，結構破裂，容易導致容量衰減和較差的循環性能和倍率性能。另外，通過構造中空結構或者多孔結構的負極材料已經被證明是有效的途徑來改善材料的循環性能。因為，中空或者多孔結構可以提供更多的活性位點來存儲鋰離子，可以有效的提高其容量，而且，獨特的中空或者多孔結構可以有效的縮短鋰離子傳輸路徑，此外，孔道結構具有更大的比表面積讓電極與電解液充分接觸。例如，通過無模板法合成的NiS中空球體在太陽能電池中展現了優秀的性能，通過水熱法合成的SnO₂多孔材料在鋰離子電池表現了很好的循環性能，還有通過水熱法合成的中空銅摻雜Mn₂O₃的結構在鋰離子電池顯示出了好的電化學性能。

石墨烯作為二維碳材料是理想的骨架材料，在其中復合半導體，金屬硫化物，可以作為好的鋰電池的電極材料，因為石墨烯具有好的機械操作性，質量較輕，高的結構穩定性，好的化學穩定性，高的電導率，高的比表面積等諸多優點。不同負極材料的硫化物，氧化物和合金與石墨烯復合后都提高了電化學性能。近來，已有研究者指出在石墨烯表面生長硫化物顆粒可以有效的阻止體積變化，增加電導率，活性位點，在一定程度上，可以提供鋰離子存儲能力和循環性能。例如：在石墨烯表面生長CoS₂，復合后的電性能遠好于純相的CoS₂。后續也有更多的研究者成功將硫化物與石墨烯復合應用在鋰離子電池上。諸多的成果已經將石墨烯為基質與硫化物復合材料應用于鋰電池負極材料，基于硫化物為基質的多孔材料也在較大程度上提高了鋰電池的電化學性能。因此，我們通過簡單的水熱法合成了具有孔狀結構的硫化錳微球與石墨烯復合物，而且復合樣品在鋰電池中展現了高的比容量，優秀的循環性能，有望成為鋰電池中的負極材料。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于，提供多孔硫化錳與石墨烯復合材料及其制備方法。首先，硫化錳的多孔結構可以減小材料在充放電過程中的體積效應；另外，石墨烯是一種具有特殊二維結構的碳材料，可以有在充放電過程中緩沖硫化錳的體積膨脹，進一步提高材料的結構穩定性，并且石墨烯結構可以提高材料的導電性能和離子傳輸性能，有效地提高了鋰離子的嵌入和脫出。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案。