[发明专利]硫化铜/氮掺杂石墨纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种硫化铜/氮掺杂石墨纳米复合材料，氮掺杂石墨表面生长有平均粒径为10～20nm的硫化铜。所述材料作为锂离子负极材料组装电池，在200mA/g的电流密度下，经过300个充放电循环后，可逆充放电容量可达600mAh/g；在2000mA/g的高电流密度下，经过1000个循环后容量仍可保持530mAh/g，这比之前报道的很多CuS基材料的容量高很多。该方法制备的复合材料有望应用于下一代锂离子电池负极材料。

技术领域

本申请涉及一种硫化铜/氮掺杂石墨纳米复合材料及其制备方法和应用，属于材料领域。

背景技术

CuS是一种储量丰富的天然矿物，具有价格低廉、低毒的特点。近几年来，随着锂离子电池电极材料研究的深入，CuS这种具有典型转化反应特点的负极材料的容量以其远高于传统嵌入型反应电极材料，例如LiCoO₂,LiFePO₄而受到研究者的广泛关注。遗憾的是，CuS在充、放电反应过程中体积变化大和多硫化物溶出等缺点导致其循环稳定性较差，严重阻碍了这一材料的应用。为了解决这一问题，研究者们设计合成了一些CuS的纳米结构(J.Power Sources,2016,306,408-412；J.Phys.Chem.Solids,2014,75,1205-1209；J.Colloid Interface Sci.,2017,502,16-23.)，并进一步与各种高导电的碳基材料进行复合，以期获得充、放电稳定性的提升，但是提升效果并不理想。造成这一现象的主要原因是CuS较快的成核与生长动力学更易导致大颗粒的生成，而大颗粒的存在延长了锂离子的扩散路程，也导致难以实现CuS与导电网络的有效复合。因此，如何调控CuS的生长动力学，使其与导电基体均匀复合的同时限制其颗粒的尺寸，是提高CuS/碳复合材料循环稳定性亟待解决的关键问题之一。

近几年，离子液体，特别是咪唑类的离子液体，越来越多地被运用到复合材料的合成(Chem.Eur.J.,2012,18,8230-8239；ACS Appl.Mater.Interfaces,2017,9,8065-8074)，其可以忽略的蒸汽压、高稳定性以及高度的可设计性使其成为一种备受关注的绿色溶剂。离子液体作为复合媒介，具有减小合成物颗粒尺寸、稳定并减少层状物堆积等作用，从而改善和提高复合材料的性能，在微、纳米材料合成中起着重要作用。含金属离子液体不但集金属源、氮源、组装媒介及表面保护剂多功能于一身，与常规的复合方式相比，离子液体的特殊性能还表现在与一些碳材料具有更好的浸润性(Angew.Chem.,Int.Ed.,2015,54,231-235)，氧化石墨可以提供好的导电网络及材料的刚性。目前利用含铜金属的离子液体作为前驱体合成硫化铜纳米结构并与氧化石墨复合构筑新型复合电池材料的工作还尚未见报道。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种硫化铜/氮掺杂石墨纳米复合材料，该材料作为锂离子负极材料组装电池具有以优异的性能，有望应用于下一代锂离子电池负极材料。

本发明涉及用一种含铜离子液体作为前驱体合成硫化铜复合材料，将其用于锂离子电极材料，属于能源存储技术领域。

本申请中以离子液体作为组装媒介，运用到碳基复合材料合成中，改善金属硫属纳米结构与碳材料之间的结合强度并调控金属硫属化合物的大小，以期获得高性能的锂离子电池电极材料。

本申请涉及一种以一系列含铜卤化物离子液体[C_nMMIm]₂[CuCl₄]为金属源、氮源、组装媒介及表面保护剂合成新颖复合材料的方法及其用途。该申请采用含金属离子液体[C_nMMIm]₂[CuCl₄]作为多功能前驱体与氧化石墨复合，经过简单的溶剂热法硫化得到含离子液体的复合材料，然后在氢、氮混合气体的保护下热解除去离子液体，得到硫化铜与氮掺杂石墨的复合材料，记为CuS@NG。该方法制备的复合材料有望应用于下一代锂离子电池负极材料。