[发明专利]一种硫化锌/石墨烯复合材料、其制备方法及应用

说明书

本申请公开了一种硫化锌/石墨烯复合材料，所述负极材料包括硫化锌介孔球和石墨烯，所述硫化锌介孔球被石墨烯包覆。该材料中的硫化锌介孔球包含丰富的介孔结构，用作负极材料，不但可以增加电极材料和电解液的接触面积，提高反应速率，也可以缓解充放电循环过程中由于钠离子嵌入和脱出导致的电极材料体积变化。通过石墨烯包覆可以极大改善硫化锌作为半导体导电性差的特性，从而提高复合材料的电化学性能。

技术领域

本申请涉及一种硫化锌/石墨烯复合材料、其制备方法和作为负极材料在电池中的应用，属于电化学领域。

背景技术

近年来，动力汽车市场不断扩大，锂离子电池作为目前动力汽车主要的动力电池，其需求量急剧增长，使得由于锂资源含量较少且分布不均匀引起的可持续利用的问题变得日益突出。钠元素含量丰富且在全球范围分布广泛，与锂元素具有相似的物理和化学性质，因此钠离子电池受到研究者的广泛关注。最近研究表明，钠离子电池具有和锂离子电池接近的电化学性能，综合考虑钠资源的储量和价格，钠离子电池被认为是替代锂离子电池作为下一代电动汽车动力电源及大规模储能电站配备电源的理想选择。

由于金属钠在充放电循环过程中，会在电极表面发生不均匀沉积，产生钠枝晶，刺穿隔膜引起电池内部短路而发生爆炸，且金属钠熔点较低，因此金属钠不适合用作钠离子电池负极。在锂离子电池上广泛应用的石墨负极材料，由于层间距不够大，无法实现钠离子的嵌入，也不能用作钠离子电池负极材料。因此，探索和开发一种成本低廉且具有高比容量和高循环稳定性的负极材料是锂离子电池发展面临的主要挑战之一。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种硫化锌/石墨烯复合材料，其特征在于，包括硫化锌介孔球和石墨烯，所述硫化锌介孔球被石墨烯包覆。该材料中的硫化锌介孔球包含丰富的介孔结构，用作负极材料，不但可以增加电极材料和电解液的接触面积，提高反应速率，也可以缓解充放电循环过程中由于钠离子嵌入和脱出导致的电极材料体积变化。通过石墨烯包覆可以极大改善硫化锌作为半导体导电性差的特性，从而提高复合材料的电化学性能。

优选地，所述硫化锌/石墨烯复合材料由硫化锌介孔球和石墨烯组成，所述硫化锌介孔球被石墨烯包覆。

作为一种实施方式，所述硫化锌介孔球的尺寸为80～120nm；所述硫化锌介孔球含有孔径3～5nm的介孔。

优选地，所述硫化锌/石墨烯复合材料中，硫化锌的质量百分比为70％～90％，石墨烯的质量百分含量为10％～30％。

根据本申请的又一方面，提供所述硫化锌/石墨烯复合材料的制备方法，所述制备方法工艺简单、能耗低、安全环保，适合工业化生产，能够稳定、高效地制备得到满足应用需求的硫化锌/石墨烯复合材料。

所述硫化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得硫化锌介孔球；

2)将含有所述硫化锌介孔球和氧化石墨烯的混合物进行冷冻处理并干燥，得到氧化石墨烯包覆硫化锌介孔球；

3)将所述氧化石墨烯包覆硫化锌介孔球置于含有氢气的气氛中材料于350～450℃下进行还原处理，得到所述硫化锌/石墨烯复合复合材料。

步骤1)中硫化锌介孔球可以通过商业购买得到、根据现有技术中的方法制备得到，或者所述锌盐硫化锌介孔球由包括以下步骤的方法制备得到：将含有锌源、硫源、明胶和水的混合物置于100～150℃下水热晶化36～60小时得到。

本领域技术人员可根据需要选择合适的锌源和硫源的种类。

作为一种实施方式，所述锌源选自有机锌盐中的至少一种。优选地，所述锌源选自锌的羧酸盐；进一步优选地，所述锌源为乙酸锌。

作为一种实施方式，所述硫源选自含有硫的有机化合物中的至少一种。优选地，所述硫源为硫脲。