一种WS2‑C纳米复合负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种WS2‑C纳米复合负极材料及其制备方法。在该复合材料中，纳米WS2颗粒均匀分布于石墨基体中，纳米WS2颗粒的粒径为10‑80nm，纳米复合负极材料中WS2与石墨的质量比为1:1‑10:1。本发明专利技术通过机械球磨法获得该复合材料，方法简单易行，是一种环境友好合成WS2‑C纳米复合负极材料的技术。该材料既能缓解充放电过程中颗粒的体积效应，又能增强电解液的浸润性，有利于锂离子的传导；同时材料有比较大的比表面积，可获得良好的电化学性能。材料在100mA/g的测试条件下，首次放电容量可达到702mAh/g，首次充电容量可达到635mAh/g，首次库仑效率可达到90％。

【技术实现步骤摘要】
一种WS2-C纳米复合负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池电极材料的制备
，具体涉及一种WS2-C纳米复合负极材料及其制备方法和应用，该WS2-C纳米复合负极材料通过球磨方法制得。
技术介绍
在科技飞速发展的今天，能源和环保已成为全社会最为关注的话题。高效可持续的绿色环保能源是未来发展的趋势。人类要保持经济的可持续发展，维持生态平衡，使工业文明不致衰落，就必须彻底解决能源问题，寻找高效、环保、可持续的新能源体系。锂离子二次电池具有放电电压高、能量密度高、循环寿命好、绿色环保等显著优点,因而迅速在包括手机和笔记本电脑在内的便携式电子消费品市场占据重要位置。目前，锂离子电池的应用领域已扩展至电动汽车、电动工具、智能电网、分布式能源系统、航空航天、国防等领域，成为21世纪最有应用价值的储能器件之一。近年来，为了使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性能以及可靠的安全性能，负极材料作为锂离子电池的关键组成部分受到了广泛关注。目前，商业化广泛使用的锂离子电池负极材料主要有两类：一类是人造石墨和改性天然石墨，理论比容量为372mAhg-1；第二类是立方尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12)，理论比容量为175mAhg-1。这两种材料的理论比容量都比较低，不能满足高容量、高功率、长寿命、高安全二次电池的发展要求，制约着锂电池性能的提升，因而新型的电池负极材料成为了当前的研究重要方向之一，普遍认为比较有前途的是一些新型碳基材料和基于合金化储锂机制的合金类材料。目前，WS2作为润滑剂、催化剂、燃料电池的阳极、有机电解质充电电池的阳极、氧化的阳极以及传感器的阳极；纳米陶瓷复合材料，近年来作为电极材料应用于锂离子电池，与传统的石墨材料相比容量提高2-3倍的水平。二硫化钨是一种具有类石墨结构的层状化合物，这类化合物是以金属原子层排布在两个硫原子片层形成三文治结构，硫原子片层间通过范德华力相互作用，一层一层迭加而形成稳定的MS2M＝W结构，有利于锂离子的嵌入，而且能为锂离子嵌入提供较多的空间，作为锂离子电池负极时具有较高的比容量，因此，关于其结构和形貌对电化学性能的影响的研究已经成为热点。当材料达到纳米尺寸时，锂离子扩散通道缩短，有效改善材料的导电性，从而显著提高电池快速充放电性能，同时在低温条件下仍能发挥较高的电化学性能，因此，纳米化是锂离子电极材料发展的重要方向。常见的制备WS2纳米结构的方法有剥离法、气相反应法、高温固相法、热蒸发、模板法、水热反应，超声化学反应，软溶液基反应法。但是通过这些方法制备的纳米材料存在着一些缺点，比如高的生产成本、过低的产量、制备工艺比较复杂这些缺点极大的限制着它们的应用。因此开发一种更简单的方法获得具有特定结构的纳米材料在其具体应用上仍具有非常重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种WS2-C纳米复合负极材料。该复合材料不仅具有比较大的比表面积，而且电化学性能良好。本专利技术的另一目的在于提供一种上述WS2-C纳米复合负极材料的制备方法。该方法简单易行。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种WS2-C纳米复合负极材料，在该纳米复合负极材料中，纳米WS2颗粒均匀分布于石墨基体中，所述纳米WS2颗粒的粒径为10-80nm，所述纳米复合负极材料中WS2与石墨的质量比为1:1-10:1(比如1:1、2:1、3:1、5:1、6:1、8:1、9.5:1)。在上述WS2-C纳米复合负极材料中，作为一种优选实施方式，所述纳米复合负极材料中WS2与石墨的质量比为2:1-4:1。一种WS2-C纳米复合负极材料的制备方法，该方法以WS2粉和石墨粉作为原料，采用机械球磨法进行研磨，以得到所述WS2-C纳米复合负极材料，其中，所述WS2粉和石墨粉的质量比为1:1-10:1(比如1:1、2:1、3:1、5:1、6:1、8:1、9.5:1)。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述WS2粉和石墨粉的质量比为2:1-4:1。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述机械球磨法中，球料比(研磨球与所述原料的质量比)为5:1-50:1(比如6:1、10:1、12:1、15:1、18:1、25:1、30:1、34:1、38:1、40:1、43:1、48:1)。更优选地，所述球料比为30:1-40:1。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述机械球磨法中，球磨转速为300-500rpm(比如305rpm、320rpm、340rpm、355rpm、370rpm、390rpm、415rpm、430rpm、445rpm、480rpm、495rpm)，球磨时间为10-60小时(比如12小时、18小时、25小时、30小时、38小时、47小时、55小时、59小时)，保护条件为1-5bar(比如为2bar、3bar、4bar)的氩气(Ar)气氛。更优选地，所述球磨转速为400-500rpm，球磨时间为20-50小时，保护条件为1-2bar的氩气(Ar)气氛。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述原料中，所述WS2粉的粒径为10-20μm，所述石墨粉的粒径为20-50μm。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述WS2-C纳米复合负极材料中，纳米WS2颗粒的粒径为10-80nm(比如12nm、20nm、25nm、30nm、40nm、48nm、57nm、63nm、70nm、78nm)。在上述制备方法中，所述原料WS2粉和石墨粉均可以直接通过商业渠道购买。一种锂离子电池，包含上述WS2-C纳米复合负极材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：首先，本专利技术提供的WS2-C纳米复合负极材料中纳米WS2颗粒粒径在10-80nm左右，这样能提高锂离子在材料中的扩散速度，从而提升了材料的容量，同时WS2均匀分布于导电性好石墨基体中，该结构既能缓解充放电过程中WS2颗粒的体积效应，又能增强电解液的浸润性，有利于锂离子的传导，这样能够提高材料的循环性能；同时材料有比较大的比表面积，可获得良好的电化学性能。通过复合石墨增强了结构稳定性，提高了材料的电导性，从而进一步增强了其电化学性能。本专利技术材料在100mA/g的测试条件下，首次放电容量可达到702mAh/g，首次充电容量可达到635mAh/g，首次库仑效率可达到90％。因此，利用本专利技术制得的WS2纳米复合负极材料电化学性能好，容量保持率高，可以应用于锂离子电池领域。其次，本专利技术球磨获得纳米WS2与C基复合负极材料有望在锂离子电池等领域存在着潜在的应用价值。再者，本专利技术的制备方法是一种环境友好制备WS2纳米复合负极材料的方法，具有如下特点：1)原料易得，为普通商业的材料，成本较低，制备工艺简单、流程短，操作方便；2)本专利技术易于实现大规模的工业化生产；3)反应中没有采用有毒物质，对环境无污染；4)制备过程中不需要加入表面活性剂、催化剂等，杂质很少，容易得到高纯度的产物；5)获得的材料的纯度高，而且电化学性能良好。附图说明图1为以市售的WS2(纯度99％，粒径为10-20μm)为实验原料组装扣式电池的容量-电压曲线。图2为以市售的WS2作为负极材料组装扣式电池的容量(库仑效率)-循环曲线。图3是市售的WS2负极材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WS2‑C纳米复合负极材料，其特征在于，在该纳米复合负极材料中，纳米WS2颗粒均匀分布于石墨基体中，所述纳米WS2颗粒的粒径为10‑80nm，所述纳米复合负极材料中WS2与石墨的质量比为1:1‑10:1。

【技术特征摘要】
1.一种WS2-C纳米复合负极材料，其特征在于，在该纳米复合负极材料中，纳米WS2颗粒均匀分布于石墨基体中，所述纳米WS2颗粒的粒径为10-80nm，所述纳米复合负极材料中WS2与石墨的质量比为1:1-10:1；所述WS2-C纳米复合负极材料的制备方法为：以WS2粉和石墨粉作为原料，采用机械球磨法进行研磨，以得到所述WS2-C纳米复合负极材料，其中，所述WS2粉和石墨粉的质量比为1:1-10:1；在所述原料中，所述WS2粉的粒径为10-20μm，所述石墨粉的粒径为20-50μm；在所述机械球磨法中，球料比为20:1-50:1，球磨转速为350-500rpm，球磨时间为20-...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宏，赵海花，武英，周少雄，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11