[发明专利]石墨烯包覆二维金属化合物电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯包覆二维金属化合物电极材料及其制备方法和应用，该方法将金属单质粉末置于真空管式炉中，然后在惰性气体与CX₂气体的混合气氛中进行煅烧，煅烧后随炉冷却即得到，其中，所述X选自S、Se、Te中的一种或多种。本发明利用金属单质与CX₂型化合物的金属热反应，原位合成了碳包覆二维金属硫化物电极，碳层的存在形式为石墨烯，有效提升了材料的结构稳定性和导电性，从而提高了负极材料的循环稳定性。本发明提供的合成方法仅需一步完成，方法便捷，成本低廉，适合工业化大规模生产使用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料制备技术领域，特别涉及一种石墨烯包覆二维金属化合物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种二次储能器件，广泛应用于小型便携式电子产品和电动交通工具，具有极高的应用前景。锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液四大主要原材料构成，其中负极材料是影响锂离子电池容量、循环性能和倍率性能发挥的关键因素之一。当前市场上主流应用的商业石墨负极理论容量仅为372mAh/g，研发具有更高比容量的负极材料是二次电池领域的重要任务。其中，二维金属化合物MX₂(M＝Mo/W/Sn等，X＝S/Se/Te等)独特的层状结构和储锂特性使其可以提供超过600mAh/g的理论比容量，成为一类具有发展前景的新型负极材料。单独的二维金属化合物在电池循环过程中普遍存在着体积膨胀、副产物溶解等问题，导致循环性能不佳，将金属化合物与碳材料复合可以有效缓解上述问题。截止目前，已经有报道采用水热法、化学气相沉积等方法成功合成了具有较高比容量和较稳定的循环性能的相关二维金属化合物/碳材料复合负极材料(如MoS₂、WS₂、MoSe₂等)，但目前已报道的方法大多存在制备过程繁琐、产率低、成本高等缺陷，既停留在实验室阶段。

中国专利CN 109671937A公开了一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其工艺大致为：将可溶性铁盐、可溶性过渡金属盐以及可溶性铈盐于去离子水中溶解混合，得到均匀溶液，向均匀溶液中滴加沉淀剂，陈化后过滤、水洗、烘干，得到过渡金属氢氧化物复合物沉淀；称取石墨和高锰酸钾，混合后加入浓硫酸和磷酸混合酸液中，反应得到灰绿色溶液，冰浴处理后，加入过渡金属氢氧化物复合物沉淀，然后再缓慢加入过氧化氢，搅拌分散后，得到相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液，悬浊液经过洗涤、离心、干燥、焙烧后，即得到过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料。该专利技术采用原位合成氧化石墨烯的过程中，直接加入过渡金属氢氧化物的复合物，得到具有多孔结构的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料，比表面积达到100－200m²/g，其中，CeO₂的加入有利于纳米棒的生成，石墨烯均匀分散在产物颗粒缝隙之间，这种结构能够缓冲金属氧化物在充放电循环过程中的体积膨胀效应，并提高电极反应动力学性能。然而，该专利技术依然存在制备过程繁琐、产率低、成本高等缺陷，无法工业应用。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种石墨烯包覆二维金属化合物电极材料及其制备方法和应用，本发明利用金属单质与CX₂型化合物的金属热反应，原位合成了碳包覆二维金属硫化物电极，碳层的存在形式为石墨烯，有效提升了材料的结构稳定性和导电性，从而提高了负极材料的循环稳定性，本发明提供的合成方法仅需一步完成，方法便捷，成本低廉，适合工业化大规模生产使用，克服了现有技术所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种原位合成石墨烯包覆二维金属化合物电极材料的方法，所述原位合成方法是将金属单质粉末置于真空管式炉中，然后在惰性气体与CX₂气体的混合气氛中进行煅烧，煅烧后随炉冷却即得到，其中，所述X选自S、Se、Te中的一种或多种。

进一步，所述金属单质为Mo、W、Sn等中的一种或多种，不限于前三种金属单质。

进一步，煅烧温度为600－1000℃，煅烧时间为4－6h。