[发明专利]一种类石墨烯夹层结构的硅基/硫化物负极材料制备方法

说明书

本发明涉及一种类石墨烯夹层结构的硅基/硫化物负极材料制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将纳米Si与MoS₂混合球磨得到Si/MoS₂复合物；将碳源溶于有机溶液中，然后加入Si/MoS₂复合物并进行喷雾干燥；再将产物置于氩气保护环境中，煅烧后得到Si/MoS₂/C锂离子电池负极材料。同时，在实验合成的基础上，利用分子设计与模拟技术构建了硅基材料的表面、界面结构模型，为实验探索提供理论依据。通过本发明可以减少材料的体积膨胀效应，提高电化学性能和循环性能，且本发明的工艺高效简便、安全可靠、成本低廉，适于工业量产。

技术领域

本发明涉及电池材料制备领域，特别是涉及一种类石墨烯夹层结构的硅基/硫化物负极材料制备方法与应用。

背景技术

近年来，锂离子电池因具有诸多优点而被广泛地关注，在手机、电动汽车、数码相机、笔记本电脑等领域均有应用。目前，商用的锂离子电池负极材料主要是石墨化的碳材料，其理论容量只有372mAh/g。随着社会的不断发展，各领域需求的不断增加，对锂离子电池容量以及充放电速率的要求也在不断提高，所以高性能锂离子电池的发展对于便携式电子设备、电动汽车和其它一些存储设备极为重要。在解决实际应用的问题当中，研发高比容量高循环稳定性的负极材料是其中重要的组成部分。

Si因可与锂形成Li₂₂Si₅合金而具有较高的比容量(4200mAh/g)，同时，它还具有脱嵌锂电压低、与电解液反应活性低等优点，是非常有发展前景的储锂负极材料。但是，因其在脱嵌锂的过程中会形成不同合金化产物导致极片粉化失效和出现巨大的体积膨胀效应(300％)，从而导致在循环过程中容量快速的衰减。这些缺点都极大地限制了硅作为锂离子电池负极材料的大规模实际应用。

目前，解决硅基负极材料问题的主要途径是减小活性物质粒径和复合化。复合化是将活性粒子分散并复合在具有一定韧性的导电介质中或者将合金材料与其它材料形成多相/单相合金体，从而分散减弱体积效应，并且利用其它材料的电性能增强硅的导电性。最近，过渡金属二硫化物(TMDs)作为新兴的类石墨烯材料，在锂离子电池、超级电容器、传感器、晶体管等领域都有应用。其中，MoS₂因具有S-Mo-S层状结构而被广泛研究。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种类石墨烯夹层结构的硅基/硫化物负极材料制备方法与应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种类石墨烯夹层结构的硅基/硫化物负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将纳米Si与MoS₂放入分散剂中混合，进行超声分散并搅拌，再将混合物放入球磨罐中进行球磨；将球磨后的混合溶液进行离心、干燥处理，得到Si/MoS₂复合物；

S2：将碳源溶于有机溶液中，然后加入步骤S1得到的Si/MoS₂复合物并搅拌，然后在90～260℃条件下进行喷雾干燥，得到干燥产物；

S3：将步骤S2得到的干燥产物置于氩气保护环境中，以1～10℃/min的速度升温至400～900℃，恒温煅烧3～6h，得到Si/MoS₂/C锂离子电池负极材料。

相对于现有技术，本发明通过球磨与喷雾干燥法合成了Si/MoS₂/C锂离子电池负极材料，利用高能机械力诱导剥层大块金属硫化物，得到类石墨烯结构，这种分层的结构可以起间隔、分散活性颗粒的作用，适应离子的反复嵌入和脱出，并在循环过程中减少体积的变化，从而提高电化学性能；同时，采用非活性的碳包覆在硅颗粒表面可防止其团聚生长，碳材料也可以作为一种缓冲体和锂离子与电子的传输通道，可以在一定程度上减少硅材料在充放电循环过程中的体积膨胀效应，提高循环性能；且本发明的工艺高效简便、安全可靠、成本低廉，适于工业量产。