[发明专利]含金属离子液体作为媒介合成复合材料的方法及用途

说明书

本申请涉及一种以一系列含金属卤化物离子液体[C_nMMIm][FeCl₄]为金属源、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。该申请首次采用晶态含金属长链离子液体[C₁₂MMIm][FeCl₄]作为多功能前驱体与氧化石墨烯复合，经过简单的溶剂热法硫化得到含离子液体的复合材料，然后在惰性气体的保护下热处理除去离子液体，得到二硫化铁与氮掺杂石墨烯的复合材料，记为FeS₂@NG。所得材料作为锂离子负极材料组装电池后在恒温25℃、150mA/g的电流密度下，经过140个充放电循环后，可逆充放电容量可达950mAh/g；在5000mA/g的高电流密度下，充放电容量可达510mAh/g，这比之前报道的很多同类FeS₂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

本发明是应用于能源储存领域，涉及一种以含金属离子液体为媒介合成的分级纳米复合材料。

背景技术

近年来，锂离子电池发展很快，已经广泛用于人们的生活，但是，还不能满足人们对大容量、高密度能量存储器件的需求。FeS₂作为一种储量丰富的天然矿物，其晶格中Fe与S₂原子层交替排列，形成三维连续晶体，具有稳定、易开采、价格低廉、低毒的特点。近几年来，随着锂电池电极材料研究的深入，FeS₂这种具有典型转化反应特点的负极材料以其远高于传统嵌入型反应电极材料(例如，LiCoO₂,LiFePO₄,LiMn₂O₄)容量的特点受到研究者的广泛关注。遗憾的是，FeS₂的低电导率，充、放电反应过程中结构变化大和多硫离子溶出的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许多FeS₂的纳米结构(J.Power Sources,2016,328,56-64；Electrochim.Acta,2018,260,755-761；Mater.Lett.,2017,186,62-65)，并进一步与各种高导电的碳基材料进行复合，以期获得稳定性的提升，但是提升效果并不理想。造成这一现象的主要原因是FeS₂较快的成核与生长动力学更易导致大晶粒的生成，而大晶粒的存在延长了锂离子的扩散路程，也导致难以实现FeS₂与导电网络的有效复合。因此，如何调控FeS₂的生长动力学，使其在导电基体上均匀复合的同时限制其晶粒的尺寸，是提高FeS₂/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，起着稳定、减少层状物堆积等作用，从而改善和提高复合材料的性能，在纳微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、组装媒介及表面保护剂多功能于一身，与常规的复合相比，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)，氧化石墨提供好的导电网络及材料的刚性。因此我们设想以离子液体作为组装媒介，运用到碳复合材料的合成中，可以改善金属硫属纳米结构与碳材料之间的结合强度，以期获得高性能的锂离子电池电极材料。目前利用含金属的离子液体作为媒介合成二硫化铁纳米结构并与石墨烯复合构筑新型复合材料的工作还尚未见报道。

发明内容