[发明专利]一种用作锂离子电池负极材料的二硫化钼包覆碳纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用作锂离子电池负极材料的二硫化钼包覆碳纳米纤维及其制备方法，其特征在于：是在含介孔的碳纳米纤维外表面包覆有一层二硫化钼纳米片，制备时，首先用静电纺丝的组装方法制备出含ZIF‑8的纳米纤维，纤维经高温炭化后形成多孔碳纳米纤维，再通过水热法在碳纳米纤维表面包覆一层片状的二硫化钼，即获得用作锂离子电池负极材料的目标产物。本发明为可充放电的锂离子电池负极材料，有效解决了块状二硫化钼材料在电池充放电过程中的稳定性差和导电性能差的问题，改善了电池的循环性能和倍率性能，提高了电池循环过程电子传输速率；且制备方法简单，可实现大规模生产，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种可充放电的锂离子电池负极材料及其制备方法，属于电化学电源领域。

背景技术

面对当前日益紧迫的能源与环境问题，发展高效稳定的锂二次电池成为当务之急。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、对环境友好等特点(Energy Environ.Sci.,2014,7,3320–3325)，广泛应用于便携式电子产品以及动力或储能电池等领域。目前,商用锂离子电池石墨负极材料比容量较低、倍率性能差,商业用碳的理论比容量为372mAh g^-1(Journal of Alloys and Compounds 673(2016)215-219)，且存在较大的安全隐患，因此开发新型的负极材料成为目前该研究领域的热点。

近年来，随着锂离子电池研究的日益深入，人们发现碳材料与金属硫化物或者氧化物的协同作用，有利于提高锂电池的循环稳定性。二硫化钼是一种具有片状结构的过渡金属硫化物，有着类似三明治状的夹层结构，每个钼原子与六个硫元素成键，形成三棱柱配位模型。这种有着与氧化石墨烯类似结构的片状化合物通过弱的范德华力相连，层间的S-Mo-S原子之间通过强的共价键连接，因此，层内作用力较强，而层间相对较弱(Chem.Commun.,2011,47,4252–4254)。这种物质目前主要应用在固体润滑剂、光催化、电催化、超级电容器、锂离子电池负极材料等领域。作为锂离子电池的负极材料，它具有较高的理论比容量(～670mAh g^-1)、无污染等优点引起了广泛的关注。但片状的二硫化钼的表面能比较高，在范德华力相互下，会堆叠在一起，不利于电子传输。另外，层与层之间的间距大约为0.615nm，由于片与片之间的距离小，纯的二硫化钼在锂离子进入的时候会对片状二硫化钼有冲击作用，使片状结构破坏，进而引发电池膨胀，最终导致电池循环性能较差(Angew.Chem.2016,128,12975–12980)。这些缺点阻碍着二硫化钼在锂电池方面的广泛应用。

因此，改善二硫化钼的导电性与电池循环过程中体积膨胀问题，对于其作为锂离子电池负极材料的研究与发展具有重要意义。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种用作锂离子电池负极材料的二硫化钼包覆碳纳米纤维及其制备方法，旨在解决现有二硫化钼的导电性差和在电池充放电过程中的体积膨胀问题，以改善电池的循环性能和倍率性能，提高稳定性。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明首先公开了一种用作锂离子电池负极材料的二硫化钼包覆碳纳米纤维，是在含介孔的碳纳米纤维外表面包覆有一层二硫化钼纳米片。

本发明还公开了二硫化钼包覆碳纳米纤维的制备方法，其特点在于：是以聚丙烯腈PAN和金属有机框架ZIF-8作为前驱体，通过静电纺丝的方法制备出纳米纤维，然后在惰性气体保护下经过800～1100℃碳化，制得多孔(主要为介孔)的碳纳米纤维；再用水热法在所述碳纳米纤维外表面包覆一层二硫化钼纳米片，即制得用于作为锂离子电池负极材料的二硫化钼包覆碳纳米纤维CNF-Z@MoS₂。具体包括如下步骤：