用于钠离子电池负极材料的双碳复合硫化钼复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及用于钠离子电池负极材料的双碳复合硫化钼复合材料及制备方法。材料中多壁碳纳米管穿插在氮掺杂碳复合的硫化钼颗粒之间，形成三维导电网络结构，其中氮掺杂碳复合的硫化钼纳米直径在50‑100nm。首先将多壁碳纳米管加入到去离子水中，超声得到多壁碳纳米管混合溶液；再向溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮、钼酸钠、硫脲和尿素充分搅拌后并转移到水热反应釜中进行水热反应；然后将得到的产物分离、洗涤、干燥和碳化热处理得到具有双碳复合的MoS

Bicarbon composite molybdenum sulfide composite and its preparation method for negative electrode material of sodium ion battery

【技术实现步骤摘要】
用于钠离子电池负极材料的双碳复合硫化钼复合材料及制备方法
本专利技术属于无机纳米材料合成领域。具体地，涉及用水热和碳化法来制备双碳复合MoS2的复合材料的方法。特别是涉及用于钠离子电池负极材料的双碳复合硫化钼复合材料及制备方法。
技术介绍
随着大量的移动设备进入人们的生活，对储能设备提出了更多的需求。由于锂离子储能设备具有体积小、能量密度高、可循环使用的优点，被广泛的使用。但是地球的锂资源储量有限、分布不均，难以满足人们生产生活的需求，因此开发一种适合大规模使用的材料迫在眉急。与锂处于同一主族的钠具有与锂相似的物理化学性质，而且钠资源在地球上的储量十分丰富，成本低廉，因此钠离子储能装置有望成为下一代大规模应用的储能设备。然而，钠离子相比较锂离子，具有较大的离子半径(Na+半径为Li+半径为)，在储能过程中对材料的结构造成了较大的破坏，所以用于锂离子储能较为成熟的负极材料不能直接作为钠离子负极材料使用。因此研发一种结构循环稳定的负极材料用于钠离子储能成为关键性需要解决的技术问题。最近，具有类石墨烯二维层状结构的MoS2作为钠离子储能材料受到了广泛的关注，它的层间距为0.615nm，较宽的层间距为钠离子储能拥有良好的倍率性能提供了理论可能。然而，良好的层状结构也存在一些缺点，包括钠离子在嵌入/脱嵌过程中，不可避免的造成了MoS2体积的变化，从而引发材料结构的破坏，另外较差的导电性阻碍了储能过程中电子的传输，这两个缺点共同导致钠离子在储能过程中容量发生迅速衰减。面对这样的问题，研究者通过合成MoS2/碳复合材料来改善MoS2基活性材料较差的离子传输动力学和解决储能过程中体积膨胀的问题，碳的形式主要包含无定形碳、石墨烯、和碳纳米管。Ren组通过将石墨烯、碳纳米管与MoS2复合，建立了一种三维结构，被石墨烯包裹的碳纳米管为电子的传输提供了良好的基底条件，弥补了MoS2本身导电性差的缺陷。碳纳米管作为一种优良的导电剂，可以建立三维导电网络，Sun组利用多壁碳管建立一种三维神经网络，FeS2分布在其中。而采用原位的非晶碳与MoS2复合既可以提高材料的导电性，又可以抑制MoS2的体积的变化。Tang组采用微波溶剂热法合成了中空管状的MoS2/C复合材料，在用于钠离子电池时，表现出良好的循环稳定性。Guan组合成了一种核壳结构，利用无定形的碳对SnS2进行包覆，限制了SnS2在Na+储能过程中体积的变化，稳定了结构，从而具有优良的电化学性能，在100mAg-1电流密度的条件下，循环100圈比容量保持在690mAhg-1。而且通过富含缺陷的碳与MoS2复合又可以明显缩短钠离子扩散距离，提高材料的倍率性能。最为典型的就是通过氮元素掺杂构建碳缺陷，Sun组通过喷雾干燥法合成了富氮掺杂的多孔碳用于钠离子电池负极材料，含氮量达到17.72％，丰富的氮掺杂为钠离子提供了更多活性位点和提高了电子的传输速率。Liang组通过水热法合成氮掺杂碳与MoS2复合的材料用于钠离子电池负极，半电池性能测试，在2Ag-1的电流密度的条件下，循环5000圈容量保持在128mAhg-1，良好的循环稳定性充分体现了氮掺杂碳可稳定MoS2的结构。但是目前对于MoS2的改性仍然存在缺陷，在充放电循环时，容量出现较大的衰减。这是因为结构稳定的碳并没有充分起到保护MoS2结构的作用。因此，科学的设计双碳复合MoS2是提高MoS2材料作为钠离子电池负极材料循环稳定性的有效措施之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过采用水热和碳化法，提供一种可用于钠离子电池负极材料的双碳复合MoS2的复合材料及制备方法。该材料中双碳指的是多壁碳纳米管和氮掺杂的碳，多壁碳纳米管穿插在氮掺杂碳复合的二硫化钼颗粒之间，形成三维导电网络结构，其中氮掺杂碳复合的二硫化钼纳米直径在50-100nm。将其用作钠电负极材料，三维导电网络结构多壁碳纳米管可以为材料提供优良的导电性，氮掺杂碳的包裹对MoS2结构起到了稳定的作用，防止在循环过程中的结构粉碎，同时也起到促进电子的传输和缩短钠离子扩散距离的作用。因此，这种结构的材料具有良好的倍率性能和循环稳定性。本专利技术的技术方案如下：用于钠离子电池负极材料的双碳复合MoS2的复合材料的制备方法，其特征步骤如下：1).将多壁碳纳米管加入到去离子水中，超声1-3h，以200-400r/min转速搅拌3-6h，制得多壁碳纳米管均匀分散的混合溶液；2).将聚乙烯吡咯烷酮、钼酸钠、硫脲和尿素加入到步骤1)制得多壁碳纳米管均匀分散的混合溶液，以200-400r/min转速搅拌3-6h后，制备得含聚乙烯吡咯烷酮、多壁碳纳米管、钼酸钠、硫脲和尿素的混合溶液；3).将步骤2)制得的混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜内衬中，并使用不锈钢反应釜密封后，进行水热反应；反应结束后，随炉冷却，取出反应物，分别用无水乙醇和去离子水洗涤，真空干燥，得到反应物；4).将步骤3)得到的反应物放在石英舟内，然后将石英舟放在通有Ar气气体的管式炉中碳化处理，得到结晶性良好的三维导电碳纳米管与氮掺杂碳复合MoS2的复合材料。所述钼酸钠与聚乙烯吡咯烷酮、硫脲的质量比为1:1-7:1-5，硫脲与尿素、多壁碳纳米管的质量比为10-70:1:1-5。所述步骤1)中多壁碳纳米管浓度为0.5-4.0g/L。所述步骤3)中水热条件：180-220℃，保温时间为12-36h。所述步骤4)中用去离子水和无水乙醇洗涤次数为3-8次所述步骤4)中干燥条件是：在60-80℃下真空干燥10-12h。所述步骤5)中碳化条件是：升温速率2-5℃/min，在500-800℃下保温2-5h。用于钠离子电池中，在100mAg-1电流密度下测试其性能，循环100次之后，其比容量达到430mAhg-1以上。在1Ag-1的电流密度循环1000次之后，其比容量可达到230mAhg-1以上。优异的电化学性能说明材料具有良好的导电性和结构稳定性，可以用于钠离子电池负极材料。本专利技术的效果是可制备出用于钠离子电池负极的三维导电碳纳米管与氮掺杂碳复合MoS2的复合材料。该材料由氮掺杂的碳包裹的MoS2和多壁碳纳米管组成，其中多壁碳纳米管穿插在氮掺杂的碳包裹的MoS2中形成三维网络结构，氮掺杂的碳包裹的MoS2直径在50-100nm，形成的三维导电网络结构可以为材料提供优良的导电性，氮掺杂碳的包裹对MoS2结构起到了稳定的作用，防止在循环过程中的结构粉碎，同时也起到促进电子的传输和缩短钠离子扩散距离的作用。附图说明图1是实施例1的X射线衍射图，在14.36°、32.7°、39.5°、58.3°的(002)、(100)、(103)、(110)晶面峰与标准卡片对应准确，而且峰形良好，说明制备出了结晶性良好的MoS2，在19.8°左右有较宽的馒头峰，可以归结为多壁碳纳米管和碳。说明所制备的复合材料是由MoS2、碳和多壁碳纳米管组成。图2是实施例2的扫描电镜图，从图中可以看出，产物由多壁碳纳米管和碳复合的硫化钼纳米颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于钠离子电池负极材料的双碳复合MoS

【技术特征摘要】
1.一种用于钠离子电池负极材料的双碳复合MoS2复合材料；其特征是多壁碳纳米管穿插在氮掺杂碳复合的二硫化钼颗粒之间，形成三维导电网络结构，其中氮掺杂碳复合的二硫化钼纳米直径在50-100nm。


2.用于钠离子电池负极材料的双碳复合MoS2复合材料的制备方法，其特征步骤如下：
1).将多壁碳纳米管加入到去离子水中，超声1-3h，以200-400r/min转速搅拌3-6h，制得多壁碳纳米管均匀分散的混合液；
2).将聚乙烯吡咯烷酮、钼酸钠、硫脲和尿素加入到步骤1)制得多壁碳纳米管均匀分散的混合溶液，以200-400r/min转速搅拌3-6h后，制备得含聚乙烯吡咯烷酮、多壁碳纳米管、钼酸钠、硫脲和尿素的混合溶液；
3).将步骤2)制得的混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜内衬中，并使用不锈钢反应釜密封后，进行水热反应；反应结束后，随炉冷却，取出反应物，分别用无水乙醇和去离子水洗涤，真空干燥，得到反应物；
4).将步骤3)得到的反应物放在石英舟内，然后将石英...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓红，郭金泽，安世乾，罗俊鹏，蔡顺汀，郑春明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12