[发明专利]一种NiS/石墨烯@碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及NiS/石墨烯@碳复合材料及其制备方法和应用。本发明采用了硫化镍、氧化石墨烯和碳源进行复合，通过凝胶碳化后得到多孔碳，多孔碳具有大的比表面积，实现了氧化石墨烯和硫化镍的附着；且多孔碳具有交联孔洞结构，与硫化镍复合后，硫化镍附着在多孔碳上提升了自身与多孔碳的协同作用，进一步提高了导电能力；本发明采用多孔碳来替代石墨烯，在还原的氧化石墨烯、硫化镍与多孔碳共同作用下，使得其导电性能接近NiS@石墨烯材料，继而在降低石墨烯用量、一定程度上节约成本的同时，得到导电性能优异的电极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种NiS/石墨烯@碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于具有工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长的优点，因此是被逐渐发展起来的理想能源；锂离子电池是一种充电电池，通过锂离子在正极和负极之间往返嵌入和脱嵌来进行工作，充电时锂离子从正极脱嵌，再经过电解质嵌入至负极，此时负极处于富锂状态，放电时则相反，可见为提升并优化电池的电化学性能，选择合适的电极材料至关重要。

硫化镍(NiS、Ni₃S₂、NiS₂、Ni₃S₄等)属于窄带隙过渡金属半导体，其纳米颗粒是一种典型的过渡金属硫族化合物，具有较高的比容量，优良的导电性，且储量丰富，价格低廉，易于加工制备，是一种潜在的锂离子电池电极材料；与碳材料相比，硫化镍中的硫能够和金属锂发生可逆的反应，该反应提供可逆容量，其过程为：Ni_xS_y+2yLi→xNi+yLi₂S；虽然该反应可提供较高的容量，但由于脱嵌锂过程中体积变化较大，造成电极活性物质从集流体上脱落，引起容量的迅速衰减，同时纯的硫化镍纳米颗粒易于团聚且导电性差、循环使用性能差，大大地限制了其性能的发挥。

现有技术通过石墨烯对硫化镍进行技术改性，得到石墨烯@硫化镍复合材料，而由于应用于电极材料的石墨烯价格普遍昂贵，其制得的石墨烯@硫化镍复合材料不利于工业化推广生产，所以其应用受到了限制，因此现有技术中的研究还是旨在通过石墨烯对碳材料的改性，以实现电极材料电性能的改善和提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了NiS/石墨烯@碳复合材料及其制备方法和应用；本发明采用了硫化镍、氧化石墨烯和碳源进行复合，通过凝胶碳化后得到多孔碳，多孔碳具有大的比表面积，实现了氧化石墨烯和硫化镍的附着；且多孔碳具有交联孔洞结构，与硫化镍复合后，硫化镍附着在多孔碳上提升了自身与多孔碳的协同作用，进一步提高了导电能力；本发明采用多孔碳来替代石墨烯，在还原的氧化石墨烯、硫化镍与多孔碳共同作用下，使得其导电性能接近NiS@石墨烯材料，继而在降低石墨烯用量、一定程度上节约成本的同时，得到导电性能优异的电极材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种NiS/石墨烯@碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含镍的盐、硫源和表面活性剂混合，然后进行溶剂热反应，得到硫化镍；

(2)将碳源溶液和氧化石墨烯混合均匀，然后加入步骤(1)制得的硫化镍，经充分混合后，去除残留气泡并蒸发溶剂，得到硫化镍/氧化石墨烯凝胶；

其中，所述碳源溶液中碳源与去离子水的质量比为2-6：100，碳源与氧化石墨烯的质量比为1:0.05-0.1，碳源与硫化镍的质量比为1：0.5-1；

(3)向步骤(2)的硫化镍/氧化石墨烯凝胶上滴加致孔剂KOH，然后于氮气气氛中，先于400-700℃下加热1.5-3h，再于900℃下炭化0.5-1h后冷却至室温，得到NiS/氧化石墨烯@碳复合材料；