[发明专利]一种原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料是将可溶性钴盐水溶液和硫化剂水溶液，搅拌得到混合溶液，将MXene水溶液加入混合溶液中搅拌，超声分散得到MXene混合溶液；MXene混合溶液在150～280℃进行水热反应，随炉冷却后再进行抽滤，经干燥后得到固体；将固体冷冻干燥制得。本发明通过静电作用自组装在MXene纳米片基体上，该基体能够有效的容纳二硫化钴在充放电过程中的体积效应，该复合材料具有优异的充放电循环性能、倍率性能和高的首次库伦效率。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，更具体地，涉及一种原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的进步与发展，人类所面临的能源问题日益凸显。锂离子电池，作为目前最为成功的商业化储能装置，缓解了人们对于能源存储方面的部分忧虑，因此受到了各界人士的热捧。特别地，由于锂离子电池的绿色/环保及可循环利用等优势，其在电动汽车领域得到广泛的发展应用。目前，市场上锂离子电池中所采用的负极活性材料通常是各种导电性好/具有层状结构的石墨类材料，其理论比容量为372mAh/g，比较适合锂离子的嵌入和脱嵌，且表现出较高的首次库伦效率和较好的循环稳定性。但是，随着行业及技术的发展，人们对锂离子电池的性能参数如容量、能量密度和循环寿命提出了更高的要求，石墨类负极材料制备的锂离子电池在目前已无法满足高比能量锂离子电池的要求。

二硫化钴作为锂离子电池电极材料，其理论比容量通常高达700mAh/g，是商业化石墨类负极材料的至少两倍以上，此外，硫元素储量非常丰富，价格十分低廉，且二硫化钴材料的嵌锂电压相对较低，非常适合作为下一代高能量的锂离子电池电芯的负极材料。然而，该类材料在进入锂离子充放电过程中，会产生较大的体积膨胀率，导致二硫化钴材料的粉化和脱落，其一方面将影响活性材料与集流体之间的接触，阻碍的电子传输过程；另一方面，也会导致固体电解质界面膜在循环过程中逐渐增厚，从而不断的消耗锂离子并会增大电池内部阻抗，使得容量和库伦效率不断衰减，循环寿命下降。因此，必须在其充放电过程缓冲其产生的体积效应，从而尽可能提高其循环稳定性。

针对上述问题，目前常用的解决方案是制备硫化钴纳米颗粒、制备硫化钴片，以及将其与碳材料进行复合，是一种比较有前景的方法。但是，现有的硫化钴/石墨烯复合材料，仅仅对二硫化钴材料进行简单的机械包覆，对其的容量发挥及循环寿命的改善都比较有限，无法满足目前产业化的需求。MXene作为新型的二维材料，其优异的导电性能及纳米层状结构，在各个领域受到科学家们的青睐。但是，在新型锂离子复合材料的制备中，还没有完全发挥体现出其特殊的价值。特别地，目前还没有研究报道过，在二维MXene纳米片上原位生长二硫化钴纳米花状的三维结构的锂离子复合材料。

发明内容

为了解决上述现有技术中碳负极材料及其类似的复合材料中的在高能量密度锂离子电池应用中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料。该复合材料具有较好的三维的柔性结构，能够充分的发挥二硫化钴纳米粒子的容量，并可有效的容纳其在充放电过程中的体积效应，具有良好的导电性能，优异的倍率及循环性能。

本发明的另一目的在于提供一种上述原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种上述原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种原位自组装三维花状二硫化钴/MXene复合材料，所述复合材料是将可溶性钴盐水溶液和硫化剂水溶液，搅拌得到混合溶液，将MXene水溶液加入混合溶液中搅拌，超声分散得到MXene混合溶液；MXene混合溶液在150～280℃进行水热反应，随炉冷却后再进行抽滤，经干燥后得到固体，将固体冷冻干燥制得。