一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料及其制备方法和在锌离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料及其制备方法和在锌离子电池中的应用，属于新型锌离子电池负极材料技术领域，该碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料包含柔性基底碳纤维，碳纤维表面负载硫化铜/碲化铜异质结材料；将硝酸铜、硫脲和CTAB加入去离子水中，搅拌均匀；再与碳纤维混合，经水热反应，得到碳纤维负载硫化铜；然后加入碲粉末，经煅烧反应后，得到碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，制备方法工艺简单，成本低，作为锌离子电池负极，硫化铜/碲化铜异质结能够有效缓冲活性材料体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子存储性能。在锌离子电池负极材料应用中具有一定优势。极材料应用中具有一定优势。极材料应用中具有一定优势。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料及其制备方法和在锌离子电池中的应用


[0001]本专利技术属于新型锌离子电池负极材料
，具体涉及一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料及其制备方法和在锌离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着电车、智能电网等大型储能系统的发展，对储能技术的要求越来越高，锂离子电池的成本和资源限制问题逐渐显现出来。锌离子电池因其较高的理论容量(825mAh g
‑1和5854mAh cm
‑3)、固有的安全性和经济可行性而受到研究人员的关注。目前，对水基ZIBs的研究取得了很大进展。大量的锰基和钒基材料已被开发出来它们具有优良的电化学性能和广阔的应用前景。
[0003]然而，利用锌枝晶、死锌、副产物的形成和水的消耗阻碍了金属锌负极的氧化。一方面，人们尝试了许多方法来改善金属锌负极，如人工固体/电解质间相层、电解质添加剂、锌复合阳极等。另一方面，插入主体材料由于其高容量、低放电平台和无枝晶的特性，越来越多的被用作“摇椅式”ZIBs的负极。然而，目前已报道的插层负极材料仍面临着这活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低、倍率性能不理想等问题。
[0004]针对现有的锌离子电池插层负极材料存在的活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题，急需找到一种新的锌离子电池负极材料来缓冲活性材料体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子存储性能。

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碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料及其制备方法和在锌离子电池中的应用，以解决现有的锌离子电池插层负极材料存在的活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题。
[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碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，包含柔性基底碳纤维，碳纤维表面负载硫化铜/碲化铜异质结。
[0008]优选地，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元为纳米片团簇而成的微米球，微米球的直径为0.5～5μm，纳米片的厚度为10～500nm。
[0009]优选地，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元互相桥联，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元与碳纤维之间以C
‑
Cu键链接。
[0010]优选地，硫化铜/碲化铜异质结中，硫化铜的质量分数为50％～80％，碲化铜的质量分数为20％～50％。
[0011]本专利技术还公开了上述碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1、将硝酸铜、硫脲和CTAB加入去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液A；
[0013]S2、将步骤S1得到的前驱体溶液A与碳纤维混合，经水热反应，得到碳纤维负载硫化铜；
[0014]S3、将步骤S2得到的碳纤维负载硫化铜与碲粉末混合，经煅烧反应后，得到碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料。
[0015]优选地，步骤S1中，前驱体溶液A中，硝酸铜的浓度为0.1
‑
10M，硫脲的浓度为0.1
‑
10M，CTAB的浓度为0.001
‑
0.1M。
[0016]优选地，步骤S2中，每80mL前驱体溶液A中加入0.01～5g碳纤维；水热反应的温度为80
‑
200℃；水热反应的时间为6～48h。
[0017]优选地，步骤S3中，碳纤维负载硫化铜与碲粉末的质量比为1:(1～3)。
[0018]优选地，步骤S3中，煅烧反应的温度为300～1000℃；煅烧反应的时间为6～48h。
[0019]本专利技术还公开了上述碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料在制备锌离子电池负极材料中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术公开了一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，包含柔性基底碳纤维，碳纤维作为柔性导电骨架，同时也可以作为集流体，碳纤维表面负载硫化铜/碲化铜异质结，硫化铜/碲化铜异质结能够协同发挥硫化铜和碲化铜的优势，硫化铜和碲化铜都是层状结构，具有较大的层间距，能够容纳锌离子嵌入和脱出，有效缓冲活性材料硫化铜/碲化铜异质结的体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子存储性能，碳纤维是优良的导电骨架，负载活性材料后，能够改善材料整体导电性能，且碳纤维负载的活性材料在循环过程中不脱落，异质结能够缓冲材料在循环过程中的体积膨胀，从而整体上保证了材料循环过程中的结构稳定性，保证电池的长循环性能。解决了现有的锌离子电池插层负极材料存在的活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题。
[0022]进一步地，硫化铜/碲化铜异质结基本单元为纳米片团簇而成的微米球，微米球尺寸为0.5～5μm，纳米片尺寸为10～500nm，纳米尺寸具有离子扩散路径短的优势，在电池反应中，能够保证电子/离子的快速扩散，从而改善电池倍率性能。
[0023]进一步地，硫化铜/碲化铜异质结基本单元互相桥联，硫化铜/碲化铜异质结基本单元与碳纤维之间以C
‑
Cu键链接，C
‑
Cu金属键能够牢固地将活性材料硫化铜/碲化铜异质结锚定在碳纤维表面，保证活性材料在循环过程中不脱落，保障了电池循环的稳定性。
[0024]本专利技术还公开了上述碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料的制备方法，将硝酸铜、硫脲和CTAB加入去离子水中，搅拌均匀，得到混合均匀的反应前驱体溶液A；再与碳纤维混合，经水热反应，得到碳纤维负载硫化铜，水热反应目的是在碳纤维表面生长硫化铜；然后加入碲粉末，经煅烧反应后，得到碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，将硫化铜部分碲化，得到硫化铜/碲化铜异质结材料；本专利技术的制备方法工艺简单，成本低，异质结构筑技术为解决插层负极性能低的问题提供了机遇，得到的碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料能够协同发挥硫化铜和碲化铜的优势，改善锌离子电池性能，适合于工业化生产，适合大规模使用储能。
[0025]进一步地，步骤S1中，前驱体溶液A中，硝酸铜的浓度为0.1～10M，硫脲的浓度为
0.1～10M，CTAB的浓度为0.001～0.1M，按照铜硫摩尔比1:1配制前驱体溶液A，CTAB的作用是作为表面活性剂条件形貌结构，加入CTAB能够形成纳米片团簇的微球形貌结构。
[0026]进一步地，步骤S3中，碳纤维负载硫化铜与碲粉末质量比为1:(1～3)，添加过量的碲源，在高温下将硫化铜部分碲化为碲化铜，最终得到硫化铜/碲化铜异质结。
[0027]进一步地，步骤S3中，煅烧反应的温度为300～1000℃；煅烧反应的时间为6～48h，在高温下将硫化铜部分碲化为碲化铜，最终得到硫化铜/碲化铜异质结。
[0028]本专利技术还公开了上述碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，其特征在于，包含柔性基底碳纤维，碳纤维表面负载硫化铜/碲化铜异质结。2.根据权利要求1所述的碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，其特征在于，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元为纳米片团簇而成的微米球，微米球的直径为0.5～5μm，纳米片的厚度为10～500nm。3.根据权利要求1所述的碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，其特征在于，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元互相桥联，硫化铜/碲化铜异质结的基本单元与碳纤维之间以C
‑
Cu键链接。4.根据权利要求1所述的碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料，其特征在于，硫化铜/碲化铜异质结中，硫化铜的质量分数为50％～80％，碲化铜的质量分数为20％～50％。5.权利要求1～4任意一项所述碳纤维负载硫化铜/碲化铜纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将硝酸铜、硫脲和CTAB加入去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液A；S2、将步骤S1得到的前驱体溶液A与碳纤维混合，经水热反应，得到碳纤维负载硫化铜；S3、将步骤S2得到的碳纤维负载硫化铜与碲粉末混合，经煅烧反...

【专利技术属性】
技术研发人员：锁国权，林传金，穆荣荣，侯小江，叶晓慧，张荔，杨艳玲，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：