[發(fā)明專利]一種硫化鈷/三維氮摻雜大孔石墨烯的制備方法及鋰離子電池負極材料

在審

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• 申請日: 2018-11-27
• 公開（公告）號: CN109360973A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 楊占軍;唐瀟;李娟
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 董旭東

本發(fā)明涉及電極材料領域內一種用于鋰離子電池負極活性材料的硫化鈷/三維氮摻雜大孔石墨烯的制備方法及其鋰離子電池負極材料。本發(fā)明首先以尿素為氮源與氧化石墨烯合三維氮摻雜大孔石墨烯，再以六水合氯化鈷為鈷源，硫脲為硫源，乙二醇和水混合作為溶劑，采用簡單的溶劑熱法原位合成CoS/3DNMG復合材料，用于鋰離子電池負極的活性材料。本發(fā)明的方法制備的CoS/3DNMG復合材料，CoS均勻地負載在三維氮摻雜大孔石墨烯的孔洞及表面；三維氮摻雜大孔石墨烯豐富的孔結構有效緩沖了硫化鈷在充放電過程中的體積膨脹，同時縮短充放電過程中電子和離子的傳輸路徑，加速了鋰離子的遷移速率；氮原子的摻雜使得更多的缺陷被引入到三維大孔石墨烯的晶格中，能夠加快電極反應。

技術領域

本發(fā)明涉及電極材料技術領域，特別涉及一種用于鋰離子電池負極活性材料的硫化鈷/三維氮摻雜大孔石墨烯的制備方法及其鋰離子電池負極材料。

背景技術

鋰離子電池是20 世紀90年代初出現(xiàn)的新型綠色高能可充電電池。作為一類重要的化學電池，鋰離子電池的應用由手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機及便攜式小型電器，逐漸擴大到潛艇、航天、航空、電動汽車等大型動力領域。在全球能源與環(huán)境問題越來越嚴重的前提下，交通工具紛紛改用儲能電池為主要動力源，鋰離子電池被認為是高能量、大功率的首選。由于其工作電壓高、能量密度高、安全性能好、循環(huán)壽命長、無污染、無記憶效應等優(yōu)點而成為當今世界各國爭相發(fā)展的對象，具有非常廣闊的應用前景。

迄今為止，已經商業(yè)化的負極材料為石墨。石墨電極有著穩(wěn)定的循環(huán)性能，但其容量太低（理論容量僅為372 mAh g^-1），難以滿足便攜電子設備、電動汽車和大規(guī)模能量存儲等方面越來越高的應用要求。因此，尋找一種廉價、高能量密度、循環(huán)性能良好的負極材料已經成為研究鋰離子電池領域的熱點。

Co和S在自然界廣泛的存在著，價格低廉，而且對環(huán)境友好，是理想的鋰離子電池負極材料。此外，CoS有著較高的理論容量(590 mAh/g)，能夠滿足人們對高能量密度鋰離子電池的需求。然而，CoS的導電性較差，大電流放電易產生較大的極化，導致倍率性能和容量保持率較差，經過幾次循環(huán)后，放電容量衰減到300 mAh g^-1左右。為了改善這一缺陷，研究者在對材料的改性方面做了大量的探索。比如，控制CoS的尺寸在納米級，通過減小其尺寸使其具有納米效應，減少充放電過程中的結構粉化和團聚，改善其電化學性能；采用CoS與石墨烯復合以提高其電子導電性，從而提高其電化學性能等。以上的改性方法都使得CoS的循環(huán)性能和容量保持率有明顯的提高。

因此，基于CoS的優(yōu)異特性，重點通過控制CoS及包覆的碳材結構和形貌以有效改善電化學性能成為潛在應用及改進方向。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中CoS和石墨烯的復合材料作為鋰離子電池負極材料使用時放電容量容易衰減的問題，提供一種成本低廉、工藝簡單、便于工業(yè)化的硫化鈷/三維氮摻雜大孔石墨烯的制備方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種硫化鈷/三維氮摻雜大孔石墨烯的制備方法，包括如下步驟:

1)制備三維氮摻雜大孔石墨烯：以尿素為氮源，按濃度為4~6 mg/ml超聲分散于濃度為2~4 mg/ml的氧化石墨烯懸浮水溶液中，隨后在160 ℃~180 ℃溫度條件下進行水熱反應12~ 15h，再自然冷卻至室溫，取分離固相冷凍干燥，然后在氬氣氣氛保護下進行高溫煅燒2~2.5 h，制得三維氮摻雜大孔石墨烯粉料；

2）制備硫化鈷溶液：將六水合氯化鈷按濃度為0.02-0.05 mol/L,硫脲按濃度為0.08-0.2 mol/L溶于體積比為1:4的乙二醇和水的混合溶劑中，磁力攪拌得到粉色澄清的溶液；

3）以體積比為1:4的乙二醇和水的混合液為溶劑，以步驟1）中制得的三維氮摻雜大孔石墨烯粉料為溶質按4-6mg/ml的濃度配制三維氮摻雜大孔石墨烯溶液；