一种锂电用CuS-In2S3复合纳米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锂电用CuS

【技术实现步骤摘要】
一种锂电用CuS
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In2S3复合纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种CuS
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In2S3复合纳米材料及其制备方法与应用，属于新材料制备和锂离子电池


技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等优点，在手机、笔记本电脑等便携设备、储能电站、电动汽车中获得了广泛应用。自锂离子电池诞生以来，石墨就一直占据着负极材料的主导地位。但是由于理论容量低(372mAh/g)、倍率性能差，石墨负极已经成为制约锂离子电池整体性能提升的瓶颈，发展新型高容量负极材料是提高锂离子电池能量密度的关键。
[0003]硫化铜和硫化铟的理论比容量均大于石墨，硫化铟还具备合金化反应和转化反应的协同储能机制，理论比容量可达1206mAh/g，而且还有高导电率和低成本等优点。但是硫化铜和硫化铟材料在充放电循环过程中会发生体积膨胀和收缩，导致电极破碎及容量衰减，储锂性能会不断降低。因此开发具有稳定的微观结构的电极材料至关重要。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种锂离子电池用CuS
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In2S3复合纳米材料，通过构建纳米结构将硫化铜和硫化铟进行复合，并采用无定形碳对其进行包覆。这种结构能够利用每种组分嵌锂机制的优势，增加复合结构的稳定性，有效解决了因体积变化而造成的材料结构不稳定问题，提高了锂离子电池的循环稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术的第一个方面，提供了一种锂离子电池用CuS
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In2S3复合纳米材料的制备方法，包括：
[0007]步骤一：取铜盐、铟盐、和对苯二甲酸在溶剂中混合，充分搅拌至完全溶解得到均匀溶液；将配置好的溶液放于油浴中搅拌加热一定时间，反应完成后抽滤，用去离子水和无水乙醇交替洗涤数次，将得到的产物放置于真空干燥箱中干燥，得到前驱体。
[0008]步骤二：取步骤一制作的前驱体，与硫源混合后放入溶剂中，置于高压釜中，放入恒温干燥箱中在高温条件下反应。反应完成后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤数次，随后将产物放入真空干燥箱中干燥，得到CuS
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In2S3复合物。
[0009]金属有机框架材料(MOF)是一类由有机配体与金属中心经过自组装形成的材料，具有可调控的形貌和组成，还有高孔隙率、大比表面积等优点。以MOF为前驱体进行原位硫化可以继承MOF材料的骨架结构，并保留MOF的孔道结构，形成多孔纳米材料，增大材料的比表面积，使材料具有较多的储锂活性位点，锂离子在孔道中快速可逆脱嵌，具有良好的电化学动力学特性。纳米孔结构也为CuS
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In2S3的膨胀预留空间，保持材料在充放电循环中的结构稳定。MOF中的有机配体在高温下会碳化形成无定形碳，包覆在材料表面，能够提高材料的电子传导并防止材料和电解液的直接接触，减少副反应的发生。
[0010]本专利技术的第二个方面，提供了上述方法制备的锂离子电池用CuS
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In2S3复合纳米材料，所述CuS
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In2S3复合纳米材料为多孔纳米棒结构，由CuS和In2S3纳米颗粒镶嵌在无定形碳中构成。
[0011]本专利技术通过实验发现，溶剂热法原位硫化MOF的过程中，有机配体会形成无定形碳基质，铜离子和铟离子会转化成硫化物纳米颗粒，均匀镶嵌在碳基质中，无定形碳会限制硫化物纳米颗粒的尺寸，对纳米颗粒形成包覆，能对硫化物的体积膨胀缓冲，也提高了材料的导电性。硫化过程也保留了MOF的棒状结构和纳米孔道，能够促进锂离子的传导，同时也为硫化物的膨胀预留空间。CuS
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In2S3复合材料形成了一种双金属硫化物异质结协同效应，进一步增加了比容量，同时由于充放电过程中Li离子脱嵌反应过程的不同步，极大地削弱了反应过程中体积的变化，提高了循环性能。
[0012]本专利技术的有益效果：
[0013](1)本专利技术的MOF前驱体原位硫化技术可实现CuS和In2S3在无定形碳基质中的均匀分布，同时保留了MOF的棒状结构和纳米空隙，能够提高离子和电子的传输速率，为电极材料的体积膨胀提供缓冲，保持电极材料在充放电循环中的结构稳定性。
[0014](2)本专利技术构建了CuS
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In2S3异质结，形成了二者之间的协同效应，进一步增加了比容量，同时由于充放电过程中Li离子脱嵌反应过程的不同步，极大地削弱了反应过程中体积的变化，提高了循环性能。
[0015](3)本专利技术的CuS
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In2S3复合纳米材料，CuS和In2S3组分比例精确可控，制备工艺简单，成本较低，具有较好的实用前景。
[0016](4)实验结果表明，本专利技术制备的CuS
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In2S3复合纳米材料用于锂离子电池负极材料时，具有优异的循环性能和倍率性能。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1为本专利技术实施例1制备的CuS
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In2S3复合纳米材料的SEM图。
[0019]图2为本专利技术实施例1制备的CuS
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In2S3复合纳米材料的TEM图。
[0020]图3为本专利技术实施例1制备的CuS
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In2S3复合纳米材料的高分辨TEM图。
[0021]图4为本专利技术实施例1制备的CuS
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In2S3复合纳米材料作为锂离子电池负极材料的倍率性能测试图。
[0022]图5为本专利技术实施例1制备的CuS
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In2S3复合纳米材料作为锂离子电池负极材料的循环性能测试图。
具体实施方式
[0023]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。但是实施例不以任何方式限制本专利技术的范围。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0024]本专利技术的第一种实施方式，提供了一种CuS
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In2S3复合纳米材料，为纳米棒结构。所述的纳米棒结构是由CuS和In2S3镶嵌在无定形碳基质中形成的。
[0025]实验表明，CuS和In2S3镶嵌在无定形碳基质中可充分发挥CuS
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In2S3异质结之间的协同效应，有效提高了材料的储锂性能。
[0026]本专利技术的第二种实施方式，是一种制备锂离子电池用CuS
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In2S3复合纳米材料的方法。在含有铜盐和铟盐的溶液中加入对苯二甲酸，经油浴加热反应得到前驱体，然后在溶剂热反应中前驱体与硫源发生反应获得CuS
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In2S3复合纳米材料。
[0027]本专利技术通过铜离子和铟离子与对苯二甲酸之间的配位作用，获得了拓扑结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电用CuS
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In2S3复合纳米材料及其制备方法，其特征在于，制备步骤如下：步骤一：取铜盐、铟盐、和对苯二甲酸在溶剂中混合，充分搅拌至完全溶解得到均匀溶液；将配置好的溶液放于油浴中搅拌加热一定时间，反应完成后抽滤，用去离子水和无水乙醇交替洗涤数次，将得到的产物放置于真空干燥箱中干燥，得到前驱体。步骤二：取步骤一制作的前驱体，与硫源混合后加入溶剂，置于高压釜中，放入恒温干燥箱中在高温条件下反应。反应完成后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤数次，随后将产物放入真空干燥箱中干燥，得到CuS
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In2S3复合物。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜盐为硝酸铜Cu(NO3)2·
3H2O、氯化铜CuCl2中的一种，铟盐为硝酸铟In(NO3)3·
xH2O、氯化铟InCl3·
3H2O、乙酰丙酮铟In(acac)3中的一种，硫源为硫代乙酰胺、硫脲、半胱氨酸中的一种。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一铜盐和铟盐的摩尔比为1：5
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10。铜盐和铟盐之和与对苯二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛迎辉，徐天杰，刘润润，赵会会，刘一帆，吕月鹏，宋海香，
申请(专利权)人：安阳工学院，
类型：发明
国别省市：