[发明专利]一种锂离子电池阳极材料CuS@rGO及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件制备领域，特别涉及一种具有良好的循环性能的锂离子电池阳极材料及其制备方法。

背景技术

二次循环锂离子电池被认为是便携式电子器件理想的储能器件。电极材料通过Li⁺嵌入脱出实现能量的储存与释放的能力决定了锂离子电池的性能。目前锂离子电池多数的研究都聚焦于寻找具有更好循环性能和放电容量的电极材料。通过深度掺杂Li与提高Li⁺与电子在电极里面的传输都可以产生超越商业石墨电极(372mA·h/g或818mA·h/cm³，石墨密度为2.2g/cm³)的新高容量负极。

CuS具有较好的电子导电率(10^-3S/m)和较高的理论容量(560mAh/g)，且在循环时具有平稳的放电曲线。通常，金属硫化物用作锂离子电池阳极材料或锂电池的阴极材料，两者都具有潜在的应用价值。但是事实上，不仅仅是硫化物，还有其他3d过渡金属化合物用作电极材料都具有潜在的应用价值，因为它们有不同的电压窗口。然而硫化物作为电极最大的难题在于容量的快速下降，因为在其充放电的过程中形成了可溶于电解液的Li₂S。

石墨烯(graphene)是电极材料制备领域中常用的材料。但是纯石墨烯材料由于首次循环库伦效率低和充放电平台较高，不能直接作为锂离子电池电极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服硫化物本身在充放电过程中体积膨胀收缩变化明显，内应力大，可逆容量快速衰退这些难题，

为解决这一技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种锂离子电池阳极材料，为纳米CuS复合还原石墨烯组成的，纳米CuS/还原石墨烯复合材料—CuSrGO，其中，纳米CuS颗粒均匀地分布在石墨烯上下表面，颗粒直径为20nm～50nm。

本发明还提供了一种上述阳极材料的制备方法，采用谷胱甘肽作为硫源，在水性溶剂里，先让Cu²⁺粘附在GO表面，然后通过水热法使Cu²⁺与谷胱甘肽中的-SH反应，形成CuS纳米颗粒，分布在GO中；再通过第二次水热法，把GO还原成rGO，这样就形成了纳米CuS/还原石墨烯复合材料—CuSrGO。

本发明采用非传统的硫源，即谷胱甘肽，它是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸结合而成的三肽化合物，它能提供-SH键，能与Cu²⁺结合形成CuS。

本发明的具体制备步骤为：

（1）将40毫克的氧化石墨烯GO分散至40毫升去离子水中，搅拌、超声分散均匀，加入2毫摩尔的CuSO₄·5H₂O，搅拌均匀，完成离子交换，再加入6毫摩尔的还原型谷胱甘肽，搅拌均匀，将混合液装入反应釜，密封后放入鼓风干燥箱，加热至200℃后，反应10小时，自然冷却至室温，将反应物过滤、清洗、干燥，得到纳米CuS/氧化石墨烯复合材料—CuSGO；

（2）将步骤（1）中得到的CuSGO分散至40毫升去离子水中，搅拌均匀，加入10毫克NaBH₄，搅拌均匀，再次水热反应，加热至120℃后反应4小时，自然冷却至室温，将反应物过滤、清洗、干燥，得到纳米CuS/还原石墨烯复合材料—CuSrGO。

上述制备步骤中，氧化石墨烯(GO)可以通过改性Hummer＇s法制备得到，

通过上述步骤所制备的复合物具有双三明治结构：石墨烯片层把CuS层夹在中间，且其CuS本身就是三明治结构，CuS₄-CuS₃-CuS₄层通过在顶点的S-S边被连接在一起。

本发明的锂离子电池阳极材料CuSrGO的用途为，将上述纳米CuS/还原石墨烯复合材料—CuSrGO粉末、碳纳米管、PVDF，按70%:20%:10%的质量比混合，涂膜成厚度为110微米的电极片，以此作为锂离子电池的工作电极。