CN106981647A - 一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片 - Google Patents

一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池制备技术领域，涉及一种钠离子电池负极片，特别涉及一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，通过在天然黑色素纳米球上包裹了一层类石墨烯过渡金属二硫化钼，制备出氮掺杂的碳球/二硫化钼材料，并制备成电池；其从天然墨鱼汁中提取黑色素，通过水热法在其表面包裹二硫化钼，由于黑色素的主要成分为聚多巴胺，水热过程中变为氮掺杂的碳球，二硫化钼纳米片均匀的包覆在碳纳米球上，纳米片之间形成负载网络，起到了良好的导电网络；将制备的CS/MoS2材料用做钠离子电池的负极材料，提高了负极结构和界面的稳定性，改善了负极的循环稳定性，有利于商业化生产与应用。

Description

一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片
技术领域：
本发明属于电池制备技术领域，涉及一种钠离子电池负极片，特别涉及一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，通过在天然黑色素纳米球上包裹了一层类石墨烯过渡金属二硫化钼，制备出氮掺杂的碳球/二硫化钼(MoS2)(carbon spheres,CS)(CS/MoS2)材料，并制备成电池。
背景技术：
钠离子电池由于来源丰富、制备工艺简单、无污染、价格低廉以及在自然界中分布广等优点，一直被认为是锂离子电池理想的替代品。目前研究较多的钠离子电池负极材料主要是各种碳基材料，如石墨、中间相碳微球、硬碳等，碳基材料的电化学性能与其结构有密切关系，同时，金属基材料由于较高的理论容量，也是一类理想的钠离子电池负极材料，其中常见的有金属合金、金属氧化物及金属硫化物等。二维过渡金属硫化物具有低成本和高理论比容量的特点，成为钠电池负极材料的研究热点；由于层间距大、层间作用力比较弱，二维过渡金属硫化物很容易实现钠离子的可逆电化学脱嵌；其中，二硫化钼是一种典型的二维过渡金属硫化物，具有理论容量高的优点，但其导电性较差，导致其倍率性能不理想。因此本发明旨在提供一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，结合二硫化钼高理论比容量和氮掺杂碳球高导电性的优点，用于制备具有高充放电比容量、良好倍率性能和长循环寿命的钠离子电池，具有良好的经济效益和社会效益。
发明内容：
本发明为了克服现有技术存在的缺陷，寻求设计一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，通过在天然黑色素纳米球上包裹了一层类石墨烯过渡金属二硫化钼，制备出氮掺杂的碳球/二硫化钼的材料，并制备成电池。
为了实现上述目的，本发明涉及的氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片的主要原料重量份为：天然黑色素1-5份，钼酸钠1-20份，硫代乙酰胺8-40份，导电炭黑5-20份，PVDF(聚偏氟乙烯)0.001-0.1份，NMP(N-甲基吡咯烷酮)1-2份，铜箔20-200份；其中天然黑色素取自墨鱼囊中，其余均为市售产品。
本发明还涉及的氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片的制备工艺，具体包括：
(1)将挑选好的墨鱼囊破开并从中取出黑色液体，然后加入到超纯水中进行离心洗涤2-10次后，再将离心后的黑色素放入透析袋进行透析提纯，然后将提纯后的黑色素进行冷冻干燥至粉末，得到天然黑色素粉末备用；
(2)按照重量配比取天然黑色素粉末分散到25-35倍重量比的超纯水中，进行超声10分钟后制备出分散均匀的天然黑色素水溶液；
(3)按照重量配比取钼酸钠和硫代乙酰胺加入到20-30倍重量比的超纯水中，进行超声分散10-60分钟后加入到步骤(2)制备的天然黑色素水溶液中，继续磁力搅拌10-60分钟后得到混合分散液；
(4)将步骤(3)得到的混合分散液放置在聚四氟乙烯反应釜中，在150-200℃下进行水热反应24-36小时，然后进行洗涤干燥得到氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子复合纳米材料粉末。
(5)将步骤(4)制备的CS/MoS2复合纳米材料粉末与Super P(导电炭黑)和PVDF(溶于NMP)按照重量比为15:5:2的比例放入研钵中研磨成均匀的浆料，然后将浆料涂覆于铜箔上，将铜箔放置在温度为60℃的红外烤灯下烤至表面干燥，再将灯烤后的铜箔放置在真空烘箱中在100-120℃烘烤8-10h，然后将烘烤后的铜箔辊压并切为直径为12mm的电极片即得成品。
本发明与现有技术相比，其从天然墨鱼汁中提取黑色素，通过水热法在其表面包裹二硫化钼，由于黑色素的主要成分为聚多巴胺，水热过程中变为氮掺杂的碳球，二硫化钼纳米片均匀的包覆在碳纳米球上，纳米片之间形成负载网络，起到了良好的导电网络；将制备的CS/MoS2材料用做钠离子电池的负极材料，提高了负极结构和界面的稳定性，改善了负极的循环稳定性，有利于商业化生产与应用；本发明制备的CS/MoS2钠离子电池，在80mA g-1电流密度下的首次放电比容量高达794mAh g-1；在1000mA g-1高电流密度下，仍保持在343mAh g-1。
附图说明：
图1为本发明制备的CS/MoS2复合纳米材料扫描电镜图。
图2为本发明提取出的天然黑色素的透射电镜图。
图3为本发明制备的CS/MoS2钠离子电池在80mAg-1的电流密度下的循环性能与库伦效率图。
图4为本发明实施例制备的CS/MoS2钠离子电池的倍率性能。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片的主要原料重量份为：天然黑色素1-5份，钼酸钠1-20份，硫代乙酰胺8-40份，导电炭黑5-20份，PVDF(聚偏氟乙烯)0.001-0.1份，NMP(N-甲基吡咯烷酮)1-2份，铜箔20-200份；其中天然黑色素取自墨鱼囊中，其余均为市售产品。
本实施例还涉及的氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片的制备工艺，具体包括：
(1)将挑选好的墨鱼囊破开并从中取出黑色液体，然后加入到超纯水中进行离心洗涤2-10次后，再将离心后的黑色素放入透析袋进行透析提纯，然后将提纯后的黑色素进行冷冻干燥至粉末，得到天然黑色素粉末备用；
(2)按照重量配比取天然黑色素粉末分散到25-35倍重量比的超纯水中，进行超声10分钟后制备出分散均匀的天然黑色素水溶液；
(3)按照重量配比取钼酸钠和硫代乙酰胺加入到20-30倍重量比的超纯水中，进行超声分散10-60分钟后加入到步骤(2)制备的天然黑色素水溶液中，继续磁力搅拌10-60分钟后得到混合分散液；
(4)将步骤(3)得到的混合分散液放置在聚四氟乙烯反应釜中，在150-200℃下进行水热反应24-36小时，然后进行洗涤干燥得到氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子复合纳米材料粉末。
(5)将步骤(4)制备的CS/MoS2复合纳米材料粉末与Super P(导电炭黑)和PVDF(溶于NMP)按照重量比为15:5:2的比例放入研钵中研磨成均匀的浆料，然后将浆料涂覆于铜箔上，将铜箔放置在温度为60℃的红外烤灯下烤至表面干燥，再将灯烤后的铜箔放置在真空烘箱中在100-120℃烘烤8-10h，然后将烘烤后的铜箔辊压并切为直径为12mm的电极片即得成品。
将本实施例制得的钠离子电池负极片与金属钠片和电解液组装成钠离子电池，用于进行恒流充放电测试，电解液为NaClO4溶于体积比为1:1的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)中，并且加入5vol％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)；循环伏安(CV)测试的电压区间为0.01V-3V，扫描速度为0.1mVs-1，测试仪器为CHI610E电化学工作站，测试结果如下：
如图3所示，CS/MoS2在钠离子电池中80mAg-1的电流密度下的循环性能。首次放电比容量为794mAh g-1，首次充电比容量为535mAh g-1，前34圈比容量一直为增长状态，到34圈放电比容量达到600mAh g-1，随后出现下降趋势，80圈放电比容量仍保持在288mAh g-1左右。图4为CS/MoS2的倍率性能，在20，40，80，320，640，1000mA g-1的电流密度下其放电比容量分别为468，465，439，397，369，342mAh g-1。说明材料具有很好的倍率性能，这可能与生物质碳球良好的导电性能，提供了良好的电荷传输通道有关。

Claims (2)

1.一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，其特征在于其主要原料重量份为：天然黑色素1-5份，钼酸钠1-20份，硫代乙酰胺8-40份，导电炭黑5-20份，PVDF(聚偏氟乙烯)0.001-0.1份，NMP(N-甲基吡咯烷酮)1-2份，铜箔20-200份；其中天然黑色素取自墨鱼囊中，其余均为市售产品。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片，其特征在于所述氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子电池负极片的制备工艺具体包括：
(1)将挑选好的墨鱼囊破开并从中取出黑色液体，然后加入到超纯水中进行离心洗涤2-10次后，再将离心后的黑色素放入透析袋进行透析提纯，然后将提纯后的黑色素进行冷冻干燥至粉末，得到天然黑色素粉末备用；
(2)按照重量配比取天然黑色素粉末分散到25-35倍重量比的超纯水中，进行超声10分钟后制备出分散均匀的天然黑色素水溶液；
(3)按照重量配比取钼酸钠和硫代乙酰胺加入到20-30倍重量比的超纯水中，进行超声分散10-60分钟后加入到步骤(2)制备的天然黑色素水溶液中，继续磁力搅拌10-60分钟后得到混合分散液；
(4)将步骤(3)得到的混合分散液放置在聚四氟乙烯反应釜中，在150-200℃下进行水热反应24-36小时，然后进行洗涤干燥得到氮掺杂碳纳米球/二硫化钼钠离子复合纳米材料粉末。
(5)将步骤(4)制备的CS/MoS2复合纳米材料粉末与Super P(导电炭黑)和PVDF(溶于NMP)按照重量比为15:5:2的比例放入研钵中研磨成均匀的浆料，然后将浆料涂覆于铜箔上，将铜箔放置在温度为60℃的红外烤灯下烤至表面干燥，再将灯烤后的铜箔放置在真空烘箱中在100-120℃烘烤8-10h，然后将烘烤后的铜箔辊压并切为直径为12mm的电极片即得成品。
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