[发明专利]三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极的制备方法，该材料可作为锂离子电池负极材料。

背景技术

随着能源需求的增加，能源储存器件在提高能量利用效率方面起到了越来越重要的作用。最近，作为能源储存器件的重要组成形式，锂离子电池由于其较高的能量密度，被广泛应用于混合动力汽车以及便携设备中。研究具有更长循环寿命、更高的可逆容量、更低生产成本的锂离子电池电极材料，是目前研究的前沿与热点之一。过渡金属氧化物、硫化物、氟化物由于其超高的理论比容量(部分可达1000mAh/g)受到科学家们的广泛关注与研究，硫化镍材料作为一种典型的过渡金属硫化物材料是一种很有前途的锂离子电池电极材料，但是其发展受制于其电导率低，充放电循环过程中电极结构变化过大等缺点。

近年来，为了缩短锂离子在电极材料内部的扩散距离，提高锂离子电池功率密度，使用三维双连续电极成为一种趋势，使用电导率超高比表面积超大的石墨烯碳材料添加剂也能极大地提高锂离子电池电化学性能。

另外，三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极不需任何添加剂，可以直接作为电极，大大减少了电池制备流程，符合绿色化学的要求，有利于市场推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极的制备方法，其制备过程简单，能耗较低，所得的三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极具有良好的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极的制备方法，包括以下步骤：

1)配制质量分数为10％的NaOH溶液50mL，向其中加入0.25g S，0.65g Na₂S·9H₂O，水浴搅拌直到形成橙黄色透明溶液，水浴温度为60-80摄氏度之间；

2)向步骤1)中所得溶液中加入15mL的石墨烯分散液，磁力搅拌搅拌1小时；

3)向步骤2)中所得溶液中加入72mL的质量分数为5％的稀盐酸，调节溶液pH到2，有白色沉淀析出，磁力搅拌1小时；

4)将步骤3)所得悬浮液抽滤得到石墨烯包覆硫颗粒，在70摄氏度空气中烘干24小时；

5)使用商用泡沫镍一片，直径为18mm，在2mol/L的稀盐酸里浸泡15分钟，然后在酒精里浸泡10分钟，再在去离子水里浸泡10分钟，预留待用；

6)将步骤4)得到的40mg石墨烯包覆硫颗粒，步骤5)得到的一片泡沫镍，放在100mL的聚四氟乙烯反应釜内衬里，加入40mL去离子水，封装好后在180摄氏度下水热反应4小时,反应完毕后冷却至室温；

7)将步骤6)得到的三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极使用酒精和水各冲洗一遍，然后在质量分数为0.048％水合肼水溶液里浸泡3小时，最后在70摄氏度下空气中烘干24小时以上。

按上述方案，步骤2)所述的石墨烯分散液制备按以下步骤：

a)向250ml锥形瓶中加入1g石墨粉与23ml浓硫酸，在室温下混合搅拌24小时；

b)将锥形瓶放入恒温水浴锅中，反应温度40摄氏度，向步骤a)所得分散液中加入100mgNaNO₃，搅拌5分钟，随后缓慢加入1500mgKMnO₄，并保持溶液温度在45摄氏度以下，搅拌30分钟；

c)向步骤b)所得分散液中，加入3ml去离子水，搅拌5分钟后，再加入3ml去离子水，随后搅拌5分钟，再加入40ml去离子水，搅拌15分钟；

d)将锥形瓶移出水浴锅，加入140ml去离子水及10ml质量分数为30％H₂O₂以终止氧化反应；

e)将步骤d)所得悬浮液使用质量分数为5％HCl溶液洗涤两次，随后用去离子水洗涤至中性，分散在100ml去离子水中，超声60分钟；

f)将步骤e)所得悬浮液8000转/分离心，时间为5分钟，反复取上层清液，直至分离出均匀的石墨烯分散液，浓度为4.7mg/ml。

本发明制备的三维褶皱石墨烯自修复包覆硫化镍结构电极可作为锂离子电池负极，褶皱石墨烯不仅能大大提高电极材料电导率，增加了电极材料与电解液的接触面积，提高了锂离子的扩散速率，同时自适应的应变弛豫性质对缓冲电极材料充放电过程中结构的巨大变化起到了很好的保护效果，锂离子电池的制备方法其余步骤与通常的制备方法相同。