[发明专利]四硫化三镍-氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用，属于功能材料技术领域。

背景技术

近年来的研究结果表明：非金属掺杂(如氮、硼)的石墨烯材料在作为锂离子电池负极材料时，虽然已经能够表现比较良好的性能，但仍存在充放电容量低的问题。

金属硫化物因其具有高的理论电容量在锂离子电池领域得到了广泛关注。通常，金属硫化镍主要包括NiS、NiS₂、Ni₃S₂、Ni₃S₄、Ni₆S₅、Ni₇S₆以及Ni₉S₈等。目前，对于金属硫化镍应用在锂离子电池负极材料的研究主要集中在NiS和NiS₂这两种化合物上，而在众多金属硫化镍中，Ni₃S₄具有高的理论电容量(C=704.5mAh/g)、安全、价格低廉等优势，是一种理想的锂离子电池负极材料。然而，现有方法合成结晶性较好的Ni₃S₄时，由于Ni₃S₄的热不稳定性使得产物中易混有NiS和/或NiS₂杂质，另一方面，人们对纯相Ni₃S₄作为锂离子电池负极材料的应用尚不明确。

如何将具有高的理论电容量的纯相金属硫化镍Ni₃S₄与具有优异稳定性的氮掺杂石墨烯进行复合，得到具有高的充放电容量和优异的循环稳定性的复合材料一直是人们亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料，在氮掺杂石墨烯材料中引入金属硫化物Ni₃S₄成为一种新的功能性复合材料，相比于现有技术中记载的氮掺杂石墨烯材料，尤其可以应用于锂离子电池的负极材料中，提升锂离子电池的相关性能。

本发明还提供了一种制备所述Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料的方法，通过对原料和工艺参数的控制，制备得到Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料，并且制备成本低廉，利于实现规模化生产。

本发明还提供了所述Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明提供了一种Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料，其中，该Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料中Ni₃S₄的含量为Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料质量的70-90%。

本发明提供的Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料，可以是利用碱式碳酸镍与氮掺杂石墨烯在硫源中反应制备得到的。

在本发明中，所述的硫源包括硫代乙酰胺或硫脲。

本发明还提供一种制备Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料的方法，该方法包括：

将碱式碳酸镍与氮掺杂石墨烯混合分散于水中，再加入硫源，升温至180-220℃，保温11-13h进行反应，经分离、洗涤和干燥处理后，得到Ni₃S₄-氮掺杂石墨烯复合材料；其中，所述碱式碳酸镍与氮掺杂石墨烯的质量比为1:0.2-1:2。

在本发明的具体实施方案中，所述方法还包括以下制备碱式碳酸镍的过程，具体为：将镍的化合物与尿素混合分散于水中，升温至90-120℃，保温10-14h进行反应，经分离、洗涤和干燥处理后，得到碱式碳酸镍；其中，所述镍的化合物与尿素的质量比为3:1-4:1。

在本发明制备碱式碳酸镍的方法中，所述的镍的化合物可以包括氯化亚镍或硝酸亚镍，但不仅限于这两种镍的化合物，只要能最终与尿素反应获得碱式碳酸镍的含镍化合物都可作为反应物。