一种Bi2S3/VS2/S复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Bi2S3/VS2/S复合材料及其制备方法和应用，属于储能材料制备技术领域，以Bi(NO3)3·

【技术实现步骤摘要】
一种Bi2S3/VS2/S复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于储能材料制备
，具体涉及一种Bi2S3/VS2/S复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着我国经济与科技的不断发展，人们的生活日益改善，随之而来对于能源的需求也日益增大。目前全球使用的主要能源是不可再生的化石燃料，由于地球上的化石能源储量有限而且这种燃料在燃烧过程中会不可避免的释放出大量的有害气体，使得造成严重的环境危机。所以，开发各种绿色可再生能源，如风能、太阳能等，成为一种有效的手段。然而，这些可再生能源本质上是间歇性的，这使得开发可行的储能设备变得至关重要。锂离子电池作为二次电池的一种，具有能量密度高，循环寿命长、自放电小和功率密度大等优点，现已广泛应用于电动汽车、消费电子、规模储能、航空航天等方面。但是由于地壳中锂元素的丰度较低，分布不均匀，导致锂盐的成本高，从而影响锂资源对市场的供求，进而难以满足锂离子电池在大规模储能领域中的应用。因此寻找可以替代锂离子电池的新型储能设备成为电池领域的研究热点。镁是一种活泼金属，地壳中镁含量居第5位，密度为1.74g/cm3，具有良好的导热导电性。镁与锂具有相似的化学性质。但是镁不如锂活泼，易操作，安全性好，价格低廉(是Li的1/24)，无污染且镁负极不产生枝晶，Mg
2+
/Mg电势较负(
–
2.37V vs.标准氢电极)，其理论体积能量密度(3833mA h/cm3)远高于Li(2046mA h/cm3)。基于此，开发低成本、高性能的可充电镁离子电池被视为二次储能技术发展的一个重要方向。因此，开展镁离子电池相关研究工作对未来能源的可持续发展具有重要意义。
[0003]然而，现阶段镁离子电池的研究发展还较为缓慢，主要是因为：1)镁二价离子具有较高的电荷密度和较小的离子半径(0.072nm)，溶剂化作用强，很难像Li
+
一样容易地嵌入到基质中，使得正极材料的选择较为困难；2)镁离子嵌入脱出会对结构产生严重的破坏。因此，探究并获得合适的电极材料是未来实现高性能实用化镁离子电池的关键。二硫化钒(VS2)是一种典型的层状过渡金属硫化物，具有与石墨烯类似的层状结构，其层与层之间以弱的范德华力结合，不同原子之间以共价键结合，层间距较大，而且结构稳定，在镁离子电池中得到了大家的关注。硫化铋(Bi2S3)是一种重要的半导体材料，能带间隙为1.2～1.7e V，具有独特的层状结构，近年来在光热、光电、光催化领域得到了广泛的应用。Bi2S3材料的反应分为三步，分别是插入反应、转化反应和合金反应，因此，与那些只有插入反应和转化反应的非活性金属硫化物相比，硫化铋具有更高的理论比容量(625mAh g
‑1)。
[0004]但由于VS2的理论容量比较低，这限制了其在实际中的广泛应用。此外，Bi2S3具有低成本、高容量的优点，但是结构稳定性较差，在镁离子电池的实际应用中，Mg
2+
反复嵌入和脱出会造成结构的破坏，因此无法实现长期稳定循环。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种Bi2S3/VS2/S复合材料
及其制备方法和应用，以解决VS2的理论容量较低和Bi2S3结构稳定性较差导致的镁离子电池中Mg
2+
反复嵌入和脱出，无法实现长期稳定循环的技术问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)将Bi(NO3)3·
5H2O和NH4VO3溶于乙二醇溶液中，超声分散均匀，加入无水乙醇，搅拌均匀，进行水热反应，冷却至室温后，经洗涤、冷冻干燥得到Bi2S3/VS2；
[0009]所述Bi(NO3)3·
5H2O与NH4VO3的质量比为1：(1～10)；
[0010]2)将步骤1)制得的Bi2S3/VS2与硫粉充分混合，在惰性气氛下煅烧，冷却至室温，得到Bi2S3/VS2/S复合材料；
[0011]所述Bi2S3/VS2与硫粉的质量比为1：(0.5～2)。
[0012]优选地，步骤1)中，水热反应的温度为120～180℃，水热反应的时间为6～16h。
[0013]优选地，步骤2)中，煅烧的温度为400～700℃，煅烧的时间为2h。
[0014]优选地，步骤1)中，冷冻干燥的温度为
‑
30～
‑
40℃，冷冻干燥的时间为8～12h。
[0015]优选地，步骤1)中，超声分散时间为15～60min。
[0016]优选地，步骤1)中，搅拌时间为15～50min，搅拌速度为200～500r/min。
[0017]优选地，步骤1)中，分别采用乙醇和水进行离心洗涤。
[0018]优选地，步骤2)中，煅烧时升温速率为5℃/min，降温速率为10℃/min。
[0019]本专利技术还公开了上述制备方法制得的Bi2S3/VS2/S复合材料，该Bi2S3/VS2/S复合材料为片层状结构和纳米棒状结构交织而成的复合结构。
[0020]本专利技术还公开了上述Bi2S3/VS2/S复合材料在制备镁离子电池负极材料中的应用，镁离子电池负极片是由Bi2S3/VS2/S复合材料：粘结剂：导电剂按照质量比为7:2:1制备而成。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]本专利技术公开了一种Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，以Bi(NO3)3·
5H2O和NH4VO3为原料，采用简单的溶剂热法制得了Bi2S3/VS2，再以Bi2S3/VS2和硫粉为原料，通过热处理法将硫单质进一步原位生长在Bi2S3/VS2的表面，制备了Bi2S3/VS2/S复合材料，通过控制各原料的含量、反应温度、反应时间等，可以很好的调控产物的形貌，使制得的Bi2S3/VS2/S复合材料呈现出片层状结构和纳米棒状结构交织而成的复合结构，其中，VS2为片状结构，Bi2S3为纳米棒结构，VS2在镁离子电池中为插层机制，较大的层间距有利于镁离子在层间进行脱嵌，Bi2S3为半导体材料，导电性好且具有较高的理论容量，与镁离子反应，存在转换反应，此外，相比于纯相VS2，复合材料存在的这两种机制协同，可以协同促进储镁性能，进一步提高VS2的容量，使得Bi2S3/VS2/S复合材料具有较好的镁离子存储性能，提升镁离子电池的电化学性能，硫单质还可以进一步为高容量奠定基础，实现镁离子电池的长期稳定循环。其复合结构可以调节单一材料的物理化学特性，发挥不同组分的协同作用，两种组分之间的强相互作用还可以增强Bi2S3的结构稳定性，整个制备方法简单，重复性高，制备周期短，反应温度低，降低了能耗和生产成本，适合大规模生产制备。
[0023]本专利技术还公开了上述制备方法制得的Bi2S3/VS2/S复合材料，该复合材料中，VS2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将Bi(NO3)3·
5H2O和NH4VO3溶于乙二醇溶液中，超声分散均匀，加入无水乙醇，搅拌均匀，进行水热反应，冷却至室温后，经洗涤、冷冻干燥得到Bi2S3/VS2；所述Bi(NO3)3·
5H2O与NH4VO3的质量比为1：(1～10)；2)将步骤1)制得的Bi2S3/VS2与硫粉充分混合，在惰性气氛下煅烧，冷却至室温，得到Bi2S3/VS2/S复合材料；所述Bi2S3/VS2与硫粉的质量比为1：(0.5～2)。2.根据权利要求1所述的Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，水热反应的温度为120～180℃，水热反应的时间为6～16h。3.根据权利要求1所述的Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，煅烧的温度为400～700℃，煅烧的时间为2h。4.根据权利要求1所述的Bi2S3/VS2/S复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，冷冻干燥的温度为
‑
30～
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，王怡婷，曹丽云，李嘉胤，王芳敏，姬宇，王瑜航，黄青青，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：