[发明专利]碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料，所述硫化铜空心纳米立方体通过碳组装成三维立体蜂窝状结构，所述碳是非晶态碳，由聚乙烯吡咯烷酮碳化形成。本发明还公开了所述的碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料的制备方法，首先合成氧化亚铜立方体，然后通过硫化和刻蚀形成硫化铜空心纳米立方体，再通过聚乙烯吡咯烷酮组装和碳化获得。本发明可提高硫化铜的电导率和结构稳定性，进而改善其电化学活性和循环稳定性，使其具有更高的充放电容量和更优秀的循环性能。碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料作为锂离子电池负极材料具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，在便携式电子设备、新能源汽车等领域广泛使用。目前商品锂离子电池的负极材料主要使用石墨(理论容量372mAh g^-1)，其实际容量已十分接近理论容量，很难进一步提升，不能满足市场对电源的高性能要求，此外，石墨的安全性能较差，倍率性能较低，因此开发高比容、高安全性的负极材料是锂离子电池发展的重要方向。

金属硫化物具有比容量高、安全性好、电导率高、储量丰富、价格低廉等优点，近年来受到广泛关注，是替代石墨的理想材料。其中，硫化铜(CuS)具有较高的理论比容量(560mAh g^-1)，材料成本低，电导率较高，锂化电位高(约1.7V)，在锂离子电池领域已被广泛研究，但是硫化铜存在容量衰减快，循环稳定性差等不足，严重阻碍了它在锂离子电池中的实际应用。

为改善硫化铜的锂离子电池性能，纳米化和复合高导电材料是两个主要的策略。Hu Zhou等人报道了MOF派生的CuS@Cu-BTC复合物用于锂离子电池，通过大比表面积的Cu-BTC和CuS复合获得了较高的比容量(P.Wang,M.Q.Shen,H.Zhou,C.F.Meng,A.H.Yuan,Small,15(2019)1903522.)。专利CN109065876A公开了一种硫化铜/氮掺杂石墨纳米复合材料及其制备方法和应用，将10-20nm的硫化铜复合到氮掺杂石墨表面。专利CN104852016A公开了一种亚微米级硫化铜/剑麻纤维炭锂离子电池负极材料及其制备方法，不规则形状、粒径200～500nm的硫化铜颗粒均匀分散在具有多级孔隙结构的剑麻纤维炭的表面及孔内。上述复合结构在改善硫化铜电导率方面有一定效果，但在提高循环稳定性方面还有待新的突破。

发明内容

针对上述技术问题和本领域存在的不足之处，本发明提供了一种碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料，具有制备方法反应条件温和、环保无害、性能优异等特点。

一种碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料，硫化铜空心纳米立方体通过碳组装成三维立体蜂窝状结构。

作为优选，所述硫化铜空心纳米立方体的边长50-600nm，壳厚5-100nm，所述碳是非晶态碳，由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)碳化形成。

本发明还提供了所述的碳组装硫化铜空心纳米立方体蜂窝材料的优选制备方法，包括步骤：

(1)将五水硫酸铜和柠檬酸钠溶解于去离子水中，然后加入NaOH溶液，搅拌1-5min，再加入抗坏血酸溶液，室温搅拌0.5-2h后离心分离，所得固体产物洗涤即得Cu₂O立方体；

(2)将步骤(1)制备的Cu₂O立方体分散于去离子水中，加入Na₂S溶液，搅拌30min后离心分离，所得固体产物洗涤后立即分散于乙醇水溶液中，搅拌30min，然后加入Na₂S₂O₃溶液，继续搅拌30min后离心分离，所得固体产物洗涤后干燥，得到CuS空心纳米立方体；