一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池材料领域，涉及一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法和应用，用以解决单一VS2或SnS2导电性差，电化学循环不稳定及多硫化物穿梭导致的电极过早失效的问题。将偏钒酸铵、硫代乙酰胺、结晶四氯化锡和石墨烯分散液依次加至有机溶剂混合搅拌形成均匀溶液后密闭反应，经后处理后于氮气下退火，得到针状VS2/SnS2/rGO复合材料。将其作为负极材料组装成快充锂离子电池后，具有稳定的快充性能，在2 A/g的大电流密度下，首次充、放电比容量为357 mAh/g、585 mAh/g，库伦效率61%；循环2000次后充、放电比容量依然分别为441 mAh/g和442 mAh/g，容量保持率75.6%。容量保持率75.6%。容量保持率75.6%。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料领域，涉及一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]层状过渡金属硫化物被认为是下一代锂离子电池极具发展前景的负极材料。VS2具有较大的层间距（5.76
ꢀÅ
）和特殊的S
‑
V
‑
S三明治结构，有利于锂离子的嵌入与脱嵌。同时，它的理论容量高达1397 mAh g
‑1。因此，层状VS2将是一种非常值得研究和开发的优良的电极材料。SnS2是一种低成本的锂离子电池负极材料，具有层状结构，由一层锡原子夹在两层六边形紧密排列的硫原子之间。层间距离（0.59 nm）有利于Li
+
（0.076 nm）的嵌入/脱嵌。此外，SnS2负极具有较高的理论容量（645 mAh g
‑1）。
[0003]VS2与SnS2均有相同的问题待解决。例如，材料均为半导体，导电性差；在锂离子的嵌入
‑
脱嵌过程中，电极材料会发生一定程度的变形脱粉，导致电化学稳定性下降；再有多硫化物的穿梭效应也可能导致电极过早失效。如Liu等研究了一种简单的溶剂热法开发片状SnS2/还原氧化石墨烯（rGO）异质结构，研究发现，SnS2纳米片和rGO纳米片之间的复合材料通过范德华相互作用紧密耦合，提供了有效的电子/离子路径以确保高导电性和足够的缓冲空间以减轻体积膨胀。SnS2/rGO异质结构阳极在200 mAg
–1的电流密度下循环120次后可以获得840 mAh g
–1的容量，并在1000 mAg
–1下循环1000次后仍保持450 mAh g
–1的容量。虽然片状SnS2/rGO异质结构提供了电子/离子通道，确保了高导电性和足够的缓冲空间来缓解体积膨胀，但其电化学稳定性仍有待进一步提升（Liu J , Chang Y , Sun K . Sheet
‑
Like Stacking SnS2/rGO Heterostructures as Ultrastable Anodes for Lithium
‑
Ion Batteries[J]. ACSapplied materials&interfaces, 2022(9):14.）。

技术实现思路

[0004]针对单一VS2或SnS2导电性差，电化学循环不稳定及多硫化物穿梭导致的电极过早失效的技术问题，本专利技术提出一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法和应用。所述材料为VS2/SnS2/rGO复合材料，VS2与SnS2的复合使得材料的混乱度增加，并且由于两种化合物的协同效应，两种材料复合后的电导率将高于其中任何一种材料的电导率，材料的稳定性也将增加。同时与还原氧化石墨烯（rGO）复合后，材料嵌入在还原氧化石墨烯层间，进一步增强材料的稳定性，进而提高电极材料的电化学性能。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种锂离子电池负极复合材料的制备方法，步骤如下：（1）将偏钒酸铵、硫代乙酰胺、结晶四氯化锡和石墨烯分散液依次加至有机溶剂混合搅拌，形成均匀溶液后，密闭反应，经后处理后得到固体；（2）将步骤（1）所得的固体于氮气保护下退火，得到锂离子电池负极复合材料，即VS2/SnS2/rGO复合材料。
[0006]所述步骤（1）中偏钒酸铵、硫代乙酰胺和结晶四氯化锡的摩尔比为1:5:（0.5~1.5）。
[0007]所述步骤（1）中石墨烯分散液的浓度为12.33 mg/g；每1 mmol偏钒酸铵添加0.1 g石墨烯分散液。
[0008]所述步骤（1）中有机溶剂为辛胺；混合搅拌温度为室温，混合搅拌时间为1 h；密封反应温度为150~180 ℃，密封反应时间为18~26 h。
[0009]所述步骤（1）中后处理为降至室温、离心、洗涤和干燥。
[0010]所述步骤（1）中洗涤试剂为无水乙醇和去离子水；干燥为真空干燥，真空干燥温度为60 ℃，真空干燥时间为12 h。
[0011]所述步骤（2）中退火温度为350~450 ℃，退火时间为1~3 h。
[0012]锂离子电池负极复合材料的具体制备方法为：将偏钒酸铵、硫代乙酰胺、结晶四氯化锡按照摩尔比1:5:（0.5~1.5）称量，再以1 mmol偏钒酸铵添加0.1 g的石墨烯分散液（12.33 mg/g）的比例将偏钒酸铵、硫代乙酰胺、结晶四氯化锡和石墨烯分散液依次放入装有20 mL辛胺的聚四氟乙烯内衬中，然后在室温下搅拌1 h，使其成为均匀的溶液。然后将聚四氟乙烯用不锈钢外套密封，放入烘箱150~180 ℃反应18~26 h，待冷却至室温，离心收集固体，分别用无水乙醇和去离子水洗数次，得到的固体在60 ℃真空干燥12 h。然后将该固体在氮气保护下，350~450 ℃退火1~3 h，所得产物为VS2/SnS2/rGO复合材料。
[0013]所述的方法制备的锂离子电池负极复合材料为针状结构。
[0014]所述的锂离子电池负极复合材料在快充锂离子电池中的应用，具体为：将锂离子电池负极复合材料（即VS2/SnS2/rGO复合材料）作为负极材料组装成快充锂离子电池后，具有稳定的快充性能，在2 A g
‑1的大电流密度下，首次充电比容量和放电比容量分别为357 mAh g
‑1和585 mAh g
‑1，库伦效率61%；循环2000次后充电比容量和放电比容量依然分别为441 mAh g
‑1和442 mAh g
‑1，容量保持率75.6%。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术中，将VS2与SnS2复合后材料的混乱度增加，并且由于两种化合物的协同效应，即两种材料复合后的电导率将高于其中任何一种材料的电导率，材料的稳定性也将增加。同时与还原氧化石墨烯（rGO）复合，材料的导电性增加，并且VS2与SnS2复合后材料嵌入在还原氧化石墨烯层间（如图4所示），进一步增强材料的电导率及稳定性，进而提高电极材料的电化学性能。
[0016]2、该负极材料（VS2/SnS2/rGO复合材料）在139.7 mA g
‑1的电流密度下，首次放电比容量达1112 mAh g
‑1，充电比容量达848 mAh g
‑1，库伦效率为76.28%，循环500次后放电比容量达1010 mAh g
‑1，充电比容量达1034 mAh g
‑1。
[0017]3、在2 A g
‑1的大电流密度下，对电极材料（VS2/SnS2/rGO复合材料）进行了长循环的充放电测试，该材料首次充电比容量357 mAh g
‑1，放电比容量585 mAh g
‑1，库伦效率61%。循环2000次后，充电比容量和放电比容量依然分别为441 mAh g
‑1和442 mAh g
‑1，容量保持率75.6%，说明该材料具有作为快充电极材料的潜能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）将偏钒酸铵、硫代乙酰胺、结晶四氯化锡和石墨烯分散液依次加至有机溶剂混合搅拌，形成均匀溶液后，密闭反应，经后处理后得到固体；（2）将步骤（1）所得的固体于氮气保护下退火，得到锂离子电池负极复合材料，即VS2/SnS2/rGO复合材料。2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中偏钒酸铵、硫代乙酰胺和结晶四氯化锡的摩尔比为1:5:（0.5~1.5）。3. 根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中石墨烯分散液的浓度为12.33 mg/g；每1 mmol偏钒酸铵添加0.1 g石墨烯分散液。4. 根据权利要求3所述的锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中有机溶剂为辛胺；混合搅拌温度为室温，混合搅拌时间为1 h；密封反应温度为150~180 ℃，密封反应时间为18~26 h。5.根据权利要求1、2或4任一项所述的锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中后处理为降至室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素琴，梁巧钰，徐嘉敏，黎泓波，郭乔辉，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：