一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法，该负极材料由以下方法制备得到：1)制备氧化碳纳米管分散液；2)静电自组装制备OCNT/DC

A CNT / MoS2 cathode material for lithium ion battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于电池材料
，具体涉及一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
电子信息产业近年来蓬勃发展突出了LIBs(锂离子电池)的优点，如体积小、能长期使用和环境相容性好等。但是，目前工业化使用的石墨负极受其比容量限制(372mAh/g)，阻碍了LIB在混合电子设备和电子设备中的应用。因此，增加负极材料的比容量是符合现实需要的。在过去的几十年中，随着纳米材料的引入，新型结构的锂离子电池阳极材料正在被深入探索。其中，过渡金属二硫化物(TMD)纳米片与其他块体材料相比具有二维(2D)结构和大的比表面积，这些TMD材料具有2D特征，即超薄厚度和一些不寻常的化学、物理和电子特性。当TMD材料从多层转变成单层时，其能带结构发生变化，由间接带隙转变成直接带隙，而且发生了谷间自旋耦合。这些奇特的光电特性推动了TMD材料在信息传递、计算机、锂离子电池、超级电容器和健康监测等领域的应用，赋予了该材料广阔的应用前景。二硫化钼层内Mo-S键是强共价键，而MoS2层是范德华力耦合的弱键，因此，它很容易形成单层结构，导致了Li+嵌入/脱出是可逆的。然而，MoS2电极在循环时受到大应变和低电导率的困扰，导致电极容量快速衰减和较低的倍率性能。目前有两种典型的策略来应对这些挑战：一种是合成纳米厚度的MoS2片，以形成稳定的空间结构，从而减轻循环过程中的应变及锂离子扩散的障碍；另一种方法是在碳基载体上生长MoS2，以促进电子和离子的迁移。CNT(碳纳米管)作为一维(1D)材料具有极大的比表面积。理论上，将CNT和MoS2材料复合，体现它们各自的优点，可以获得高性能锂离子电池负极材料。在目前的研究中，CNT/MoS2复合物主要采用水热法合成，但是水热法合成的CNT/MoS2复合物普遍结晶度较低，晶格缺陷较多且纯度不高，阻碍了Li离子的有效插入和脱除，也影响了电池材料的电化学可逆性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料及其制备方法，该负极材料以多孔网络结构的CNT为骨架，二维MoS2纳米片均匀密集附着于CNT表面，所得负极材料比容量高、循环稳定性和倍率性能好。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其由以下方法制备得到：1)制备氧化碳纳米管(OCNT)分散液：将多壁碳纳米管、硫酸、硝酸加入三口烧瓶中，在40～50℃下超声氧化3～5h后过滤、洗涤、干燥得到氧化碳纳米管粉末，然后将所得氧化碳纳米管粉末加入去离子水中溶解得到OCNT分散液；2)静电自组装制备OCNT/DC+/MoO42-：在步骤1)所得OCNT分散液中加入DC5700((三甲氧基硅基丙基)十八烷基二甲基氯化铵)、四水钼酸铵(H24Mo7N6O24·4H2O)，在室温下搅拌24h进行静电自组装，随后将所得混合液透析72h，透析结束后干燥得到OCNT/DC+/MoO42-粉末；3)CVD法制备CNT/SiO2/MoS2：将步骤2)所得OCNT/DC+/MoO42-粉末和升华硫粉末放入管式炉中进行退火得到CNT/SiO2/MoS2粉末；4)刻蚀SiO2制备CNT/MoS2：将步骤3)所得CNT/SiO2/MoS2粉末均匀分散于NaOH溶液中，搅拌24h，沉淀物分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后即得到CNT/MoS2粉末。按上述方案，步骤1)所述多壁碳纳米管长度为0.5～2μm，管径＜8nm，纯度为95％以上，比表面积＞500m2/g，灰分＜1.5wt％。碳纳米管的表面被强酸破坏氧化之后带有一定量的羟基和羧基。按上述方案，步骤1)所述硫酸质量分数为98％，所述硝酸质量分数为68％，所述多壁碳纳米管、硫酸、硝酸质量体积比为0.1～2g：120mL：40mL。按上述方案，步骤1)所述OCNT分散液浓度为1～10mg/mL。按上述方案，步骤2)所述OCNT分散液中氧化碳纳米管与硅烷偶联剂、四水钼酸铵的质量体积比为0.1～1g：2.5mL：2g。按上述方案，步骤3)所述OCNT/DC+/MoO42-粉末与升华硫粉末质量比为1：3～6。按上述方案，步骤3)所述退火工艺条件为：室温、Ar气氛下以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温12h，最后随炉冷却。高温有利于MoS2晶体生长，且反应时间较长有利于晶粒生长完整，基于该条件合成出高结晶度的MoS2。按上述方案，步骤4)所述NaOH溶液浓度为1mol/L，所述CNT/SiO2/MoS2粉末分散于NaOH溶液中的浓度为1～10g/L。本专利技术还包括上述CNT/MoS2锂离子电池负极材料的制备方法，具体步骤如下：1)制备氧化碳纳米管分散液：将多壁碳纳米管、硫酸、硝酸加入三口烧瓶中，在40～50℃下超声氧化3～5h后过滤、洗涤、干燥得到氧化碳纳米管粉末，然后将所得氧化碳纳米管粉末加入去离子水中溶解得到OCNT分散液；2)静电自组装制备OCNT/DC+/MoO42-：在步骤1)所得OCNT分散液中加入DC5700、四水钼酸铵，在室温下搅拌24h进行静电自组装，随后将所得混合液透析72h，透析结束后干燥得到OCNT/DC+/MoO42-粉末；3)CVD法制备CNT/SiO2/MoS2：将步骤2)所得OCNT/DC+/MoO42-粉末和升华硫粉末放入管式炉中进行退火得到CNT/SiO2/MoS2粉末；4)刻蚀SiO2制备CNT/MoS2：将步骤3)所得CNT/SiO2/MoS2粉末均匀分散于NaOH溶液中，搅拌24h，沉淀物分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后即得到CNT/MoS2粉末。本专利技术先将多壁碳纳米管进行氧化，得到表面带有羟基和羧基的氧化碳纳米管粉末，然后在DC5700、四水钼酸铵存在条件下进行静电自组装得到OCNT/DC+/MoO42-粉末，该静电自组装技术利用了DC5700的两种基团：一方面，DC5700在水溶液中甲氧基水解形成羟基，可以和OCNT上的羟基和羧基作用形成氢键；另一方面，DC5700本身带有缺电子的N+离子，可以和带负电荷的钼酸根离子形成离子键，从而实现水溶液里的静电自组装，静电自组装技术使得OCNT、DC5700、钼酸根离子三者可以在分子层面上结合，且因为存在着氢键及离子键的作用力，可以使钼酸根离子在CNT网络骨架中分散均匀且结合牢固。然后利用CVD法制备CNT/SiO2/MoS2粉末，CVD法合成出的MoS2纳米片厚度仅为3层，在CNT骨架基体中分散均匀，最后刻蚀SiO2制备得到CNT/MoS2锂离子电池负极材料。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的CNT/MoS2复合材料中MoS2材料采用CVD法合成，相比于水热法合成出的MoS2结晶度更好，纯度更高，合成出的MoS2厚度更薄，而且，自组装法合成各相分散均匀的前驱体OCNT/DC+/MoO42-粉末，使得后期经过CVD反应得到的CNT/MoS2复合材料中的MoS2和Li离子的接触面积更大，提高了MoS2的电化学反应性。另外，CNT/MoS2复合材料中MoS2在CNT网络骨架中分散均匀且结合牢固，可以使得该材料在后期处理后应用于锂离子电池负极材料时可以获得较好的循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，其由以下方法制备得到：1)制备氧化碳纳米管分散液：将多壁碳纳米管、硫酸、硝酸加入三口烧瓶中，在40～50℃下超声氧化3～5h后过滤、洗涤、干燥得到氧化碳纳米管粉末，然后将所得氧化碳纳米管粉末加入去离子水中溶解得到OCNT分散液；2)静电自组装制备OCNT/DC

【技术特征摘要】
1.一种CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，其由以下方法制备得到：1)制备氧化碳纳米管分散液：将多壁碳纳米管、硫酸、硝酸加入三口烧瓶中，在40～50℃下超声氧化3～5h后过滤、洗涤、干燥得到氧化碳纳米管粉末，然后将所得氧化碳纳米管粉末加入去离子水中溶解得到OCNT分散液；2)静电自组装制备OCNT/DC+/MoO42-：在步骤1)所得OCNT分散液中加入DC5700、四水钼酸铵，在室温下搅拌24h进行静电自组装，随后将所得混合液透析72h，透析结束后干燥得到OCNT/DC+/MoO42-粉末；3)CVD法制备CNT/SiO2/MoS2：将步骤2)所得OCNT/DC+/MoO42-粉末和升华硫粉末放入管式炉中进行退火得到CNT/SiO2/MoS2粉末；4)刻蚀SiO2制备CNT/MoS2：将步骤3)所得CNT/SiO2/MoS2粉末均匀分散于NaOH溶液中，搅拌24h，沉淀物分别用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后即得到CNT/MoS2粉末。2.根据权利要求1所述的CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，步骤1)所述多壁碳纳米管长度为0.5～2μm，管径＜8nm，纯度为95％以上，比表面积＞500m2/g，灰分＜1.5wt％。3.根据权利要求1所述的CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，步骤1)所述硫酸质量分数为98％，所述硝酸质量分数为68％，所述多壁碳纳米管、硫酸、硝酸质量体积比为0.1～2g：120mL：40mL。4.根据权利要求1所述的CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，步骤1)所述OCNT分散液浓度为1～10mg/mL。5.根据权利要求1所述的CNT/MoS2锂离子电池负极材料，其特征在于，步骤2)所述OCNT分散液中氧化碳纳米管与硅烷偶联剂、四水钼酸铵的质量体积比为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊传溪，郑瑜环，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42