[发明专利]多孔硫化锰与石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种作为锂电池负极材料的多孔硫化锰与石墨烯复合材料及其制备方法。本发明方法的主要过程和步骤如下：采用合适的锰源和硫源，与氧化石墨烯形成均一的混合溶液，利用水热法，反应结束后进一步的煅烧过程提高复合材料的结晶度，最终得到多孔硫化锰与石墨烯复合材料。本发明制得复合材料具有良好的导电性与结构稳定性，硫化锰微球表面具有凹凸结构及内部具有微孔结构，微孔结构减少了锂离子的传输路径，凹凸结构提供了更多的位点和更大的比表面积来储存锂离子和与电解液充分接触。石墨烯的引入为充放电过程的体积变化提供了缓冲空间，提高复合材料的循环稳定性。本发明制得复合材料可用于锂离子电池的制备并可提高锂离子电池的性能。

技术领域

本发明涉及一种作为锂电池负极材料的多孔硫化锰与石墨烯复合材料的制备方法，属锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

当今，由于全球化石燃料能源的枯竭和日渐突出的环境污染问题，如：雾霾和水污染等，因此开发新一代清洁能源的急迫性日益重要。而可充电的锂离子电池作为新一代的储能设备日益受到关注。所以，开发低成本，环境友好，具有长时间稳定循环，高容量和高倍率的电极材料是非常重要的。由于电极材料在可充电的锂离子电池中扮演着重要的角色。众所周知，现在商用锂离子电池的负极为石墨，理论比容量只有372mAh/g，这严重限制了进一步发展高容量锂离子电池。而过度金属硫化物（MoS₂,WS₂,SnS₂）好多具有600mAh/g-1100mAh/g的可逆比容量，是理想负极材料替代商用中的锂离子电池石墨负极材料。近来，硫化物在诸多领域引起了研究者们的关注，例如，超级电容器，太阳能电池，半导体，锂离子电池，气敏材料，催化材料等。然而，纯相的过渡金属作为锂离子电池负极材料时往往在充放电锂离子嵌入脱出过程中，材料发生体积坍塌，结构破裂，容易导致容量衰减和较差的循环性能和倍率性能。另外，通过构造中空结构或者多孔结构的负极材料已经被证明是有效的途径来改善材料的循环性能。因为，中空或者多孔结构可以提供更多的活性位点来存储锂离子，可以有效的提高其容量，而且，独特的中空或者多孔结构可以有效的缩短锂离子传输路径，此外，孔道结构具有更大的比表面积让电极与电解液充分接触。例如，通过无模板法合成的NiS中空球体在太阳能电池中展现了优秀的性能，通过水热法合成的SnO₂多孔材料在锂离子电池表现了很好的循环性能，还有通过水热法合成的中空铜掺杂Mn₂O₃的结构在锂离子电池显示出了好的电化学性能。

石墨烯作为二维碳材料是理想的骨架材料，在其中复合半导体，金属硫化物，可以作为好的锂电池的电极材料，因为石墨烯具有好的机械操作性，质量较轻，高的结构稳定性，好的化学稳定性，高的电导率，高的比表面积等诸多优点。不同负极材料的硫化物，氧化物和合金与石墨烯复合后都提高了电化学性能。近来，已有研究者指出在石墨烯表面生长硫化物颗粒可以有效的阻止体积变化，增加电导率，活性位点，在一定程度上，可以提供锂离子存储能力和循环性能。例如：在石墨烯表面生长CoS₂，复合后的电性能远好于纯相的CoS₂。后续也有更多的研究者成功将硫化物与石墨烯复合应用在锂离子电池上。诸多的成果已经将石墨烯为基质与硫化物复合材料应用于锂电池负极材料，基于硫化物为基质的多孔材料也在较大程度上提高了锂电池的电化学性能。因此，我们通过简单的水热法合成了具有孔状结构的硫化锰微球与石墨烯复合物，而且复合样品在锂电池中展现了高的比容量，优秀的循环性能，有望成为锂电池中的负极材料。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于，提供多孔硫化锰与石墨烯复合材料及其制备方法。首先，硫化锰的多孔结构可以减小材料在充放电过程中的体积效应；另外，石墨烯是一种具有特殊二维结构的碳材料，可以有在充放电过程中缓冲硫化锰的体积膨胀，进一步提高材料的结构稳定性，并且石墨烯结构可以提高材料的导电性能和离子传输性能，有效地提高了锂离子的嵌入和脱出。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。