CN106169581B - 一种四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池，制备方法步骤包括水热工序、复合工序，本发明制备方法使得四硫化三铁在还原氧化石墨烯表面上直接进行原位生长，该材料不仅具有独特的三维结构，且石墨烯与四硫化三铁结合紧密，在锂化过程中有效地防止四硫化三铁从石墨烯上脱落；同时又很大程度上解决了活性材料的粉化问题。该材料应用于锂离子电池负极材料，有着循环稳定性好，比能量密度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料技术领域，具体涉及四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为新一代供能器材，广泛应用于便携式电子设备领域，为了进一步提高锂离子电池的电化学性能，使其具备能量密度高，循环寿命长的优点，需要进一步幵发新的电极材料，提髙电池性能。
采用石墨烯复合材料作为锂离子电池电极材料，主要是利用其优良的导电性能，提高电极材料的倍率性能和导电率。同时，由于石墨烯独特的二维结构，可以对纳米材料进行负载，包覆，编织，从而形成疏松的网状结构，这种结构既可以缓冲材料在充放电过程中的体积膨胀，又可以防止材料在充放电过程中的聚集，从而提高循环性能。
但石墨烯作为锂离子电池负极材料也存在一些问题：石墨烯很容易由于范德华力再重新堆积到一起，影响锂离子在石墨烯中的传输，进而导致石墨烯的倍率性能下降。因此对不同方法制备石墨烯材料的结构参数及表面官能团、结构缺陷、异质原子如氮、氧、氢等如何影响其电化学储锂性能需要深入研究，特别是石墨烯作为负极材料在充放电过程中容量衰减及电压滞后的原因尚需深入理解。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池。本发明利用价格低廉原料制备得到三维还原氧化石墨烯，通过水热、复合、洗涤、干燥，得到了由四硫化三铁/石墨烯的复合纳米材料。本发明针对四硫化三铁作为电极材料的循环稳定性差等技术难题，提供了一种工艺简单、产率高、成本低的复合材料制备方法。
一种四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法，步骤包括：
A、水热工序：将氧化石墨分散在水中超声制得氧化石墨烯溶液，向溶液中加入硫酸，再超声分散均匀制得混合液，然后将混合液转移至反应釜中在160～260℃下反应18～30小时，取出洗涤，得到三维柱状还原氧化石墨烯，反应条件优选在190～220℃下反应20～24小时；
所述步骤A中氧化石墨通过改进Hummers法合成，具体步骤为：分别称取5.0g石墨和3.75g NaNO3放入1L的烧杯中，机械强力搅拌，缓慢加入150mL的浓硫酸，搅拌0.5小时，再缓慢加入20g的KMnO4，0.5小时加完，继续搅拌20小时后，反应物粘度增大，停止搅拌，得到浆糊状***物质。放置5天后，分别缓慢加入500mL去离子水和30mL H2O2，此时溶液颜色变为较明显的亮黄色，待溶液充分反应后，离心、洗涤，得到氧化石墨。
所述步骤A中混合液中氧化石墨烯的浓度为0.75～1.5g/L，优选1.0～1.25g/L；
所述步骤A中混合液中硫酸的浓度为0.8～1.7mol/L，优选1.2～1.4mol/L。
B、复合工序：将亚铁盐、硫源溶于有机溶剂中，配成混合溶液，然后将三维柱状还原氧化石墨烯投入上述溶液中，在3～50℃下浸泡1天以上，优选10～30℃浸泡1～2天；最后将混合溶液和三维柱状还原氧化石墨烯转移至水热反应釜中，在160～240℃下反应18～36小时，优选在180～200℃下反应20～24小时，产物经洗涤和干燥后，得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
所述步骤B中亚铁盐选自氯化亚铁、硫酸亚铁和硫酸亚铁铵中的一种或多种，铁盐在混合溶液中的浓度为0.08～0.30mol/L，优选0.10～0.16mol/L；
所述步骤B中硫源选自硫代乙酰胺、硫脲中的一种或两种，硫源在混合溶液中的浓度为0.24～1.20mol/L，优选0.5～0.8mol/L；
所述步骤B中三维柱状还原氧化石墨烯在混合溶液中的浓度为0.1～4.0mg/mL，优选0.6～1.2mg/mL；
所述步骤B中有机溶剂选自乙二醇、DMF中的一种或两种，优选乙二醇；
所述步骤B中干燥为真空干燥，真空干燥温度30～80℃，干燥时间3～8小时，优选在40～60℃下干燥4～6小时。
一种锂离子电池负极，由四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料制成；
一种锂离子电池，由包括四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料制成的锂离子电池负极制成。
本发明的机理：本发明以水热法合成的三维柱状还原氧化石墨烯为模板，通过在混合溶液中浸泡，三维还原氧化石墨烯上的基团将会吸附溶液中的正负离子，然后通过溶剂热法进行原位生长。
本文利用水热法合成三维柱状还原氧化石墨烯，然后将其浸泡在铁盐、硫源的溶液中，通过溶剂热法使得四硫化三铁在还原氧化石墨烯表面上直接进行原位生长，该材料不仅具有独特的三维结构，且石墨烯与四硫化三铁结合紧密，在锂化过程中有效地防止四硫化三铁从石墨烯上脱落；同时又很大程度上解决了活性材料的粉化问题。该材料应用于锂离子电池负极材料，有着循环稳定性好，比能量密度高等优点。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)所制得的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料，四硫化三铁在石墨烯表面分布均匀；
(2)所制得的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料性能稳定，在空气中不易变性，容易存放；
(3)所制得的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料纳米颗粒小，产品比表面积大；
(4)所制得的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料用作锂离子电池负极材料，具有较大的比容量和较好的循环性能；
(5)实验过程较为简单，对实验仪器设备要求低，原料易得到，费用低，可进行批量生产。
附图说明
图1为实施例1制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的SEM图。
图2为实施例2制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的SEM图。
图3为实施例3制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的SEM图。
图4为实施例4制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的SEM图。
图5为实施例5制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的SEM图。
图6为实施例5制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的XRD图。
图7为实施例5制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池负极材料在100mA/g电流密度下的循环稳定性测试图。
具体实施方式
实施例1
氧化石墨的制备：分别称取5.0g石墨和3.75g NaNO3放入1L的烧杯中，机械强力搅拌，缓慢加入150mL的浓硫酸，搅拌0.5小时，再缓慢加入20g的KMnO4，0.5小时加完，继续搅拌20小时后，反应物粘度增大，停止搅拌，得到浆糊状***物质。放置5天后，分别缓慢加入500mL去离子水和30mL H2O2，此时溶液颜色变为较明显的亮黄色，待溶液充分反应后，离心、洗涤，得到氧化石墨。
水热工序：将70mg氧化石墨烯溶于80mL去离子水中，加入9mL浓硫酸(ρ＝1.84g/cm3)，超声分散3小时，然后转移到反应釜中，200℃恒温反应28小时，获得柱状三维还原氧化石墨烯，洗涤收集。
复合工序：将0.36g硫酸亚铁，0.40g硫脲，溶解到16mL乙二醇中，将12mg三维柱状还原氧化石墨烯加入到上述溶液中，30℃浸泡2天，随后转移至反应釜中，180℃恒温反应18小时，将产物洗涤，30℃真空干燥8小时，收集得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
实施例2
氧化石墨的制备方法同实施例1。
水热工序：将70mg氧化石墨烯溶于80mL去离子水中，加入9mL浓硫酸(ρ＝1.84g/cm3)，超声分散3小时，然后转移到反应釜中，180℃恒温反应30小时，获得柱状三维还原氧化石墨烯，洗涤收集。
复合工序：将0.73g氯化亚铁，0.58g硫代乙酰胺，溶解到16mLDMF中，将18mg三维柱状还原氧化石墨烯加入到上述溶液中，25℃浸泡2天，随后转移至反应釜中，200℃恒温反应24小时，将产物洗涤，50℃真空干燥5小时，收集得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
实施例3
氧化石墨的制备方法同实施例1。
水热工序：将70mg氧化石墨烯溶于80mL去离子水中，加入9mL浓硫酸(ρ＝1.84g/cm3)，超声分散3小时，然后转移到反应釜中，200℃恒温反应20小时，获得柱状三维还原氧化石墨烯，洗涤收集。
复合工序：将0.72g硫酸亚铁，0.80g硫脲，溶解到16mL乙二醇中，将20mg三维柱状还原氧化石墨烯加入到上述溶液中，3℃浸泡3天，随后转移至反应釜中，200℃恒温反应20小时，将产物洗涤，70℃真空干燥4小时，收集得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
实施例4
氧化石墨的制备方法同实施例1。
水热工序：将100mg氧化石墨烯溶于80mL去离子水中，加入12mL浓硫酸(ρ＝1.84g/cm3)，超声分散3小时，然后转移到反应釜中，200℃恒温反应20小时，获得柱状三维还原氧化石墨烯，洗涤收集。
复合工序：将0.63g氯化亚铁，0.97g硫代乙酰胺，溶解16mLDMF中，将24mg三维柱状还原氧化石墨烯加入到上述溶液中，40℃浸泡2天，随后将其转移至反应釜中，200℃恒温反应24小时，将产物洗涤，80℃真空干燥3小时，收集得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
实施例5
氧化石墨的制备方法同实施例1。
水热工序：将120mg氧化石墨烯溶于80mL去离子水中，加入12mL浓硫酸(ρ＝1.84g/cm3)，超声分散3小时，然后转移到反应釜中，200℃恒温反应20小时，获得柱状三维还原氧化石墨烯，洗涤收集。
复合工序：将1.08g硫酸亚铁铵，1.20g硫脲，溶解到16mL乙二醇中，将16mg三维柱状还原氧化石墨烯加入到上述溶液中，35℃浸泡3天，随后将其转移至反应釜中，200℃恒温反应24小时，将产物洗涤，60℃真空干燥4小时，收集得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
将实施例5所得最终产物四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池的负极材料，采用复合材料、乙炔黑和PVDF的质量比为85:5:10，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂调制成均匀浆状；将浆状物涂于铜箔之上，用刮刀将其均匀涂布成膜片状，均匀地附着于铜箔表面。制成的涂层放于烘箱中，以110℃烘干12小时；烘干完成后移入真空干燥箱中，以120℃真空干燥10小时；再将干燥后的复合材料涂层采用对辊机或者压片机等进行压片处理；采用机械裁片机裁剪电极片，以锂片作为对电极，电解液为市售1mol/L LiPF6/EC+DMC溶液，利用电池测试仪进行充放电性能测试，所得产物作为锂离子电池负极材料在100mA/g电流密度下的循环稳定性测试结果如附图7所示。由附图7可见，电池的循环稳定性好，循环100次后电池容量仍稳定在1105mAh/g。
Claims (18)
1.一种四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料的制备方法，步骤包括：
A、水热工序：将氧化石墨分散在水中超声制得氧化石墨烯溶液，向溶液中加入硫酸，再超声分散均匀制得混合液，然后将混合液转移至反应釜中在160～260℃下反应18～30小时，取出洗涤，得到三维柱状还原氧化石墨烯；
B、复合工序：将亚铁盐、硫源溶于有机溶剂中，配成混合溶液，然后将三维柱状还原氧化石墨烯投入上述溶液中，在3～50℃下浸泡1天以上；最后将混合溶液和三维柱状还原氧化石墨烯转移至水热反应釜中，在160～240℃下反应18～36小时，产物经洗涤和干燥后，得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤A水热工序为：将氧化石墨分散在水中超声制得氧化石墨烯溶液，向溶液中加入硫酸，再超声分散均匀制得混合液，然后将混合液转移至反应釜中在190～220℃下反应20～24小时，取出洗涤，得到三维柱状还原氧化石墨烯；
所述B复合工序为：将亚铁盐、硫源溶于有机溶剂中，配成混合溶液，然后将三维柱状还原氧化石墨烯投入上述溶液中，在10～30℃浸泡1～2天；最后将混合溶液和三维柱状还原氧化石墨烯转移至水热反应釜中，在180～200℃下反应24小时，产物经洗涤和干燥后，得到四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中混合液中氧化石墨烯的浓度为0.5～2.0g/L。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中混合液中氧化石墨烯的浓度为1.0～1.5g/L。
5.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中混合液中硫酸的浓度为0.8～1.7mol/L。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中混合液中硫酸的浓度为1.2～1.4mol/L。
7.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中亚铁盐选自氯化亚铁、硫酸亚铁和硫酸亚铁铵中的一种或多种，亚铁盐在混合溶液中的浓度为0.08～0.30mol/L。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中亚铁盐在混合溶液中的浓度为0.10～0.16mol/L。
9.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述步骤B中硫源选自硫代乙酰胺、硫脲中的一种或两种，硫源在混合溶液中的浓度为0.24～1.20mol/L。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述步骤B中硫源在混合溶液中的浓度为0.50～0.80mol/L。
11.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中有机溶剂选自乙二醇、DMF中的一种或两种。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中有机溶剂为乙二醇。
13.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中三维柱状还原氧化石墨烯在混合溶液中的浓度为0.1～4.0mg/mL。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中三维柱状还原氧化石墨烯在混合溶液中的浓度为0.6～1.2mg/mL。
15.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中干燥为真空干燥，真空干燥温度30～80℃，干燥时间3～8小时。
16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中真空干燥温度40～60℃，干燥时间4～6小时。
17.一种锂离子电池负极，由权利要求1或2制备方法制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料制成。
18.一种锂离子电池，由包括由权利要求1或2制备方法制备的四硫化三铁/石墨烯纳米复合材料制成的锂离子电池负极制成。
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