[发明专利]一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明属于能源材料技术领域，具体为一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法，本发明通过水热合成法，以层状石墨烯为模板，使四硫化钒生长在层状石墨烯模板上(或者说采用石墨烯包覆四硫化钒颗粒)，从而形成四硫化钒/石墨烯复合材料；该方法具有工艺简单、成本低、可重复性好，适用于商业化钠离子电池电极材料的应用；本发明中，石墨烯薄膜片层将纳米四硫化钒颗粒连接在片层之间，形成稳定的固体电解质界面膜，有效提高复合电极材料导电性，表现出良好倍率特性以及循环稳定性；在0.2A·g^‑1电流下，充放电循环具有高达580mAh·g^‑1的可逆比容量，同时具有高达20A·g^‑1的大电流充放电能力，能够满足商业化钠离子电池电极应用。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及钠离子电池电极材料，具体为一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

绿色能源技术和低碳经济的发展对低成本商业化钠离子电池的需求与日俱增。与锂离子电池相比，钠离子电池具有很多优势：(1)钠源材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；(2)由于钠离子特性，允许使用低浓度钠离子电解液，从而降低成本；(3)钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可进一步降低成本，同时降低重量；(4)由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池明显低成本优势有望在大规模能源存储中取代传统锂离子电池。

最近，过渡金属硫化物因其较高的理论容量而受到广泛关注。四硫化钒则是其中之一，其在钠离子电池中理论容量高达1196mA.h/g；同时，在晶体结构方面，四硫化钒为一维链式结构，链间以范德华力相结合，相邻链间距高达0.583nm，远大于钠离子半径0.196nm，更易于钠离子在充放电过程中的嵌入和脱出，这使得四硫化钒在商业化钠离子电池应用成为可能。然而目前，四硫化钒的电化学性能并不能达到可商业化钠离子电池的性能标准。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提供一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法；本发明通过水热合成法，以石墨烯为模板，使四硫化钒生长在模板上，进而得到用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料；本发明利用石墨烯的高机械性能与高导电性对四硫化钒进行改性，从而显著提高其电化学性能，进而达到可商业化钠离子电池的性能标准。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将氧化石墨烯溶于去离子水中，经超声波分散后形成氧化石墨烯溶液，其中，氧化石墨烯浓度为0.3～30mg/ml；

步骤2：将钒源与硫源按照摩尔比钒:硫＝(0.95～1.05):(4.95～5.05)的比例加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌形成混合溶液；

步骤3：将步骤2形成的混合溶液转移到反应釜内胆中，在140～240℃温度下水热反应12～48h；

步骤4：冷却反应釜到室温后，将所得产物清洗、烘干得四硫化钒/石墨烯复合材料。

进一步的：

所述步骤1中，氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯浓度0.5～16mg/ml最佳；超声波分散时间为20～40min。

所述步骤2中，钒源与硫源的摩尔比钒:硫＝1：5、搅拌时间2～4h、搅拌配合超声波分散最好。

所述步骤2中，钒源为原矾酸钠、偏矾酸钠、原矾酸氨、偏钒酸铵中的一种，硫源为硫代乙酰胺与半胱氨酸中的一种；其中，原矾酸钠与硫代乙酰胺配合较好。

所述步骤3中，水热反应的温度180～220℃、加热时间24～36h最佳。