[發明專利]碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 202011053949.X
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112366311B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 楊秋合;袁永鋒
• 申請（專利權）人: 杭州職業技術學院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;C01G3/12;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料，所述硫化銅空心納米立方體通過碳組裝成三維立體蜂窩狀結構，所述碳是非晶態碳，由聚乙烯吡咯烷酮碳化形成。本發明還公開了所述的碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料的制備方法，首先合成氧化亞銅立方體，然后通過硫化和刻蝕形成硫化銅空心納米立方體，再通過聚乙烯吡咯烷酮組裝和碳化獲得。本發明可提高硫化銅的電導率和結構穩定性，進而改善其電化學活性和循環穩定性，使其具有更高的充放電容量和更優秀的循環性能。碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料作為鋰離子電池負極材料具有重要的應用價值。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料及其制備和應用。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、無記憶效應等優點，在便攜式電子設備、新能源汽車等領域廣泛使用。目前商品鋰離子電池的負極材料主要使用石墨(理論容量372mAh g^-1)，其實際容量已十分接近理論容量，很難進一步提升，不能滿足市場對電源的高性能要求，此外，石墨的安全性能較差，倍率性能較低，因此開發高比容、高安全性的負極材料是鋰離子電池發展的重要方向。

金屬硫化物具有比容量高、安全性好、電導率高、儲量豐富、價格低廉等優點，近年來受到廣泛關注，是替代石墨的理想材料。其中，硫化銅(CuS)具有較高的理論比容量(560mAh g^-1)，材料成本低，電導率較高，鋰化電位高(約1.7V)，在鋰離子電池領域已被廣泛研究，但是硫化銅存在容量衰減快，循環穩定性差等不足，嚴重阻礙了它在鋰離子電池中的實際應用。

為改善硫化銅的鋰離子電池性能，納米化和復合高導電材料是兩個主要的策略。Hu Zhou等人報道了MOF派生的CuS@Cu-BTC復合物用于鋰離子電池，通過大比表面積的Cu-BTC和CuS復合獲得了較高的比容量(P.Wang,M.Q.Shen,H.Zhou,C.F.Meng,A.H.Yuan,Small,15(2019)1903522.)。專利CN109065876A公開了一種硫化銅/氮摻雜石墨納米復合材料及其制備方法和應用，將10-20nm的硫化銅復合到氮摻雜石墨表面。專利CN104852016A公開了一種亞微米級硫化銅/劍麻纖維炭鋰離子電池負極材料及其制備方法，不規則形狀、粒徑200～500nm的硫化銅顆粒均勻分散在具有多級孔隙結構的劍麻纖維炭的表面及孔內。上述復合結構在改善硫化銅電導率方面有一定效果，但在提高循環穩定性方面還有待新的突破。

發明內容

針對上述技術問題和本領域存在的不足之處，本發明提供了一種碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料，具有制備方法反應條件溫和、環保無害、性能優異等特點。

一種碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料，硫化銅空心納米立方體通過碳組裝成三維立體蜂窩狀結構。

作為優選，所述硫化銅空心納米立方體的邊長50-600nm，殼厚5-100nm，所述碳是非晶態碳，由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)碳化形成。

本發明還提供了所述的碳組裝硫化銅空心納米立方體蜂窩材料的優選制備方法，包括步驟：

(1)將五水硫酸銅和檸檬酸鈉溶解于去離子水中，然后加入NaOH溶液，攪拌1-5min，再加入抗壞血酸溶液，室溫攪拌0.5-2h后離心分離，所得固體產物洗滌即得Cu₂O立方體；

(2)將步驟(1)制備的Cu₂O立方體分散于去離子水中，加入Na₂S溶液，攪拌30min后離心分離，所得固體產物洗滌后立即分散于乙醇水溶液中，攪拌30min，然后加入Na₂S₂O₃溶液，繼續攪拌30min后離心分離，所得固體產物洗滌后干燥，得到CuS空心納米立方體；