[发明专利]过渡金属硫化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用复合材料领域，具体涉及一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点、因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池一般采用碳基负极材料，如石墨，这种材料虽然稳定性较高，但理论容量仅有372mAh·g^-1。

与碳材料相比，某些过渡金属硫化物具有较高的理论容量，如NiS的理论容量高达589mAh·g^-1。这类过渡金属硫化物有一个共性：所含的硫可以和金属锂发生可逆的反应，该反应提供可逆容量，而首次嵌锂形成的过渡金属不和锂发生合金化/褪合金化反应，其过程为：

M′_xS_y+2y Li→xM′+y Li₂S

虽然该反应可提供较高的容量，但由于脱嵌锂过程中体积变化较大，引起容量的迅速衰减。目前，有效减缓容量快速衰减的方法一般是将过渡金属硫化物与其它基体材料进行复合，较理想的基体材料是碳材料。在各种碳材料中，石墨烯因为其高的电导率、高的机械强度、大的比表面积剂及孔隙率，是非常理想的基体材料。

现有技术中以石墨烯作为基体材料制备复合材料的报道已有很多，如中国专利申请CN201110083375.5中公开了一种过渡金属氧化物/石墨烯复合材料，由纳米级过渡金属氧化物和石墨烯组成，所述的过渡金属氧化物为MnO、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Cu₂O、CuO或V₂O₅；该复合材料中过渡金属氧化物由于石墨烯的分散和承载作用能够均匀分布且粒度小，可有效提高过渡金属氧化物在充放电过程中的稳定性和循环稳定性。中国专利申请CN201010237027.4中公开了一种锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料及其制备方法，它为石墨烯或氧化石墨烯改性的过渡金属氧化物，过渡金属氧化物与石墨烯或氧化石墨烯之间以物理包裹或化学键合的方式连接，采用下述方法中的一种：1.将制备过渡金属氧化物所需的前躯体与石墨烯(或氧化石墨烯)按重量比为0.01∶100至50∶100在溶剂中均匀混合，在一定温度、压力下反应得到纳米复合电极材料；2.将石墨烯(或氧化石墨烯)与过渡金属氧化物按重量比为0.01∶100至50∶100在溶剂中充分混合，经干燥得到纳米复合电极材料；制备方法简便、易操作，适用于大规模生产，制得的电极材料具有较高的锂离子和电子的传导率，所组装的锂电池比容量高、循环性能好，适合用于锂电池电极材料。

因此，开发过渡金属化物/石墨烯复合材料具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种电化学稳定性和循环稳定性良好的过渡金属硫化物/石墨烯复合材料。

本发明还提供了一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备方法，该方法工艺简单，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产。

本发明发现将过渡金属硫化物和石墨烯复合，可用来提高过渡金属硫化物的电化学性能，特别是循环稳定性。

一种过渡金属硫化物/石墨烯复合材料，由纳米级过渡金属硫化物和石墨烯(G)组成，所述的过渡金属硫化物为Ni₂S₃、NiS、FeS、FeS₂、CoS、CoS₂、Cu₂S、CuS、MnS或MnS₂。

为了进一步提高复合材料的应用性能，所述的复合材料中石墨烯的重量百分含量优选为0.4％～16％，进一步优选为2％～10.6％。

过渡金属硫化物的颗粒直径越小，越易覆载于石墨烯上，复合材料的电化学稳定性能越好，因此本发明选用纳米级过渡金属硫化物，优选，所述的纳米级过渡金属硫化物的颗粒直径为50纳米～150纳米。

优选，所述的复合材料中纳米级过渡金属硫化物呈均匀分散。

所述的过渡金属硫化物/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将含过渡金属的盐溶于去离子水或有机溶剂中，得到以过渡金属离子M²⁺(M＝Ni、Fe、Co、Cu或Mn)计浓度为0.015mol/L～0.15mol/L的溶液，再加入氧化石墨烯(GO)，经充分搅拌分散后得到混合溶液；