一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料，它以亞微米尺寸的空心石墨烯球?yàn)檩d體，二硫化錫納米顆粒負(fù)載在石墨烯空心球的內(nèi)壁和外壁，生長(zhǎng)在空心石墨烯球表面的二硫化錫顆粒尺寸在10-40?nm之間，其制備方法包括以下步驟：a.?合成陽(yáng)離子型聚苯乙烯球：b.?合成空心石墨烯球：c.?裝載二硫化錫：即可得到空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫的復(fù)合材料。該復(fù)合材料是一種二維結(jié)構(gòu)的碳材料，可以在充放電過(guò)程中容納二硫化錫的體積膨脹，提高電極材料的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且多孔石墨烯結(jié)構(gòu)可以提高材料的導(dǎo)電性能和離子傳輸性能，有利于鋰離子在材料中嵌入和脫出。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種作為鋰電池負(fù)極材料的空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料及其制備方法，屬于電化學(xué)和材料合成

技術(shù)介紹
鋰離子電池因具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界應(yīng)用最為廣泛的二次電池。隨著鋰離子電池研究的進(jìn)一步深入，開發(fā)高容量，高倍率性能，循環(huán)壽命長(zhǎng)的電池材料成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)。目前，實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料一般都是碳素材料，如石墨，軟碳，硬碳等。碳負(fù)極材料（理論容量372mAh/g）已經(jīng)不能滿足未來(lái)高容量的需要，各種金屬?gòu)?fù)合物，金屬氧化物和金屬硫化物已經(jīng)被廣泛的研究以代替碳負(fù)極。二硫化錫由于具有較低的嵌鋰電壓和較高的理論容量（645mAh/g），近年來(lái)一直受到研究工作者的廣泛關(guān)注，但是二硫化錫作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，同其他錫基材料一樣，該鋰離子電池負(fù)極材料的問(wèn)題是在嵌、脫鋰過(guò)程中，體積膨脹，導(dǎo)致電極粉末化，導(dǎo)致儲(chǔ)存容量和循環(huán)壽命迅速下降。石墨烯是一種具有特殊二維結(jié)構(gòu)的碳材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能，在鋰離子電池電極材料中具有極大的應(yīng)用前景。將石墨烯與二硫化錫復(fù)合可以提高材料整體的電導(dǎo)率，緩沖二硫化錫充放電過(guò)程中的體積變化，抑制二硫化錫團(tuán)聚的作用，進(jìn)而滿足未來(lái)鋰離子電池高容量的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本專利技術(shù)的目的在于，提供一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料及其制備方法，空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料是一種二維結(jié)>構(gòu)的碳材料，該復(fù)合材料可以在充放電過(guò)程中容納二硫化錫的體積膨脹，提高電極材料的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且多孔石墨烯結(jié)構(gòu)可以提高材料的導(dǎo)電性能和離子傳輸性能，有利于鋰離子在材料中嵌入和脫出。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案。一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料，其特征在于，以亞微米尺寸的空心石墨烯球?yàn)檩d體，二硫化錫納米顆粒負(fù)載在石墨烯空心球的內(nèi)壁和外壁，生長(zhǎng)在空心石墨烯球表面的二硫化錫顆粒尺寸在10-40nm之間。一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：a.合成陽(yáng)離子型聚苯乙烯球：取引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀0.1-1g加入圓底三口燒瓶中，再加入50mL去離子水，得到過(guò)硫酸鉀溶液，在氮?dú)鈿夥諗嚢柽^(guò)硫酸鉀溶液，加熱至50-80℃，再加入苯乙烯單體2-10mL，冷凝回流反應(yīng)24h，冷凝回流反應(yīng)進(jìn)行2-10h后加入100-500μL甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水離心洗滌，經(jīng)真空干燥6-12h，干燥后得到的固體，即得陽(yáng)離子型聚苯乙烯球；b.合成空心石墨烯球：將上述步驟a得到陽(yáng)離子型聚苯乙烯球分散在水中，超聲1h，取一定量氧化石墨烯溶液超聲1h，超聲后，將分散后的氧化石墨烯水溶液與陽(yáng)離子型聚苯乙烯球按質(zhì)量比1:4混合，再超聲30min，得到混合液，然后將上述混合液倒入圓底燒瓶，加入與氧化石墨烯質(zhì)量比為（0.1-2）:1的水合肼，在95℃回流反應(yīng)1-6h，合成反應(yīng)結(jié)束后真空抽濾，用去離子水洗滌、真空干燥6-12h，然后將干燥后的固體浸泡在甲苯中以去除聚苯乙烯球模板，再用無(wú)水乙醇洗滌，得到空心石墨烯球；c.裝載二硫化錫：取1-10mmol的四氯化錫溶解在適量乙醇中，將上述步驟b得到的空心石墨烯球浸泡在四氯化錫溶液中，浸泡12h，取1-10mmol硫源溶解在30mL乙醇中，然后加入到上述混合溶液并轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，在160-180℃,水熱反應(yīng)4-12h，反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物離心分離，用無(wú)水乙醇洗滌1-3次，真空抽干，即得到空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫的復(fù)合材料。上述步驟b中所述的氧化石墨烯的加入質(zhì)量為步驟a中所述的陽(yáng)離子型聚苯乙烯球的質(zhì)量的20-100%。上述步驟c中所述的硫源為硫脲、硫代乙酰胺、L-半胱氨酸、二硫化碳中的一種。本專利技術(shù)與其它的二硫化錫/石墨烯復(fù)合材料及其制備方法相比具備以下突出特點(diǎn)：(1)制備工藝簡(jiǎn)單，原料成本低。(2)制備的空心石墨烯球是一種三維連通的大孔結(jié)構(gòu)，不但保留了石墨烯比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，能抑制石墨烯片層間的團(tuán)聚，提高電極與電解液的接觸面積，增加了電化學(xué)反應(yīng)效率。而且，由于制備的空心石墨烯球結(jié)構(gòu)是一種三維連通的孔道結(jié)構(gòu)，增大材料與離子相的接觸面積，增加離子傳輸?shù)幕钚晕稽c(diǎn)，降低離子的擴(kuò)散距離，提高離子在電解液中的運(yùn)輸能力。附圖說(shuō)明圖1是實(shí)施例1制備的空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的XRD圖譜。圖2是實(shí)施例1制備的空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的SEM圖片。圖3是實(shí)施例1制備的空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的TEM圖片。圖4是實(shí)施例1制備的空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的充放電性能圖。具體實(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本專利技術(shù)所提供的方法。實(shí)施例1一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的備方法，該方法的步驟如下：取引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀0.3g加入圓底三口燒瓶中，再加入50mL去離子水，加入轉(zhuǎn)子攪拌過(guò)硫酸鉀溶液，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱到60℃，再加入苯乙烯單體2mL，冷凝回流反應(yīng)24h，冷凝回流反應(yīng)進(jìn)行7h后加入500μL甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水離心洗滌，經(jīng)真空干燥12h，干燥后得到的固體，即得陽(yáng)離子型聚苯乙烯球；將得到陽(yáng)離子聚苯乙烯球分散在水中，超聲1h，取一定量氧化石墨烯溶液超聲1h，超聲后，將分散后的氧化石墨烯水溶液與陽(yáng)離子聚苯乙烯球按質(zhì)量比1:4混合，再超聲30min，得到混合液，然后將上述混合液倒入圓底燒瓶，加入與石墨烯質(zhì)量比為0.5:1的水合肼，在95℃回流反應(yīng)2h，合成反應(yīng)結(jié)束后真空抽濾，用去離子水洗滌、真空干燥12h，然后將干燥后的固體浸泡在甲苯中以去除聚苯乙烯球模板，再用無(wú)水乙醇洗滌，得到空心石墨烯球；取5mmol的四氯化錫溶解在40mL乙醇中，將上述步驟b得到的空心石墨烯球浸泡在四氯化錫溶液中12h，取5mmol硫脲溶解在30mL乙醇中，然后加入到上述溶液并轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，在180℃，水熱反應(yīng)4h，反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物離心分離，用無(wú)水乙醇洗滌2次，真空抽干，即得到空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫的復(fù)合材料。制得空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫的復(fù)合材料的電性能測(cè)試：將制備的產(chǎn)物作為工作電極；以金屬鋰片為負(fù)極；以聚丙烯微孔膜為隔膜；電解液是由l.0mol/LLiPF6溶液（溶于EC/DMC等質(zhì)量比配成的溶液）；在充滿氬氣的手套箱中組裝CR2032型扣式電池，進(jìn)行恒電流充放電測(cè)試，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得材料的單電極比容量。產(chǎn)物的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料，其特征在于，以亞微米尺寸的空心石墨烯球?yàn)檩d體，二硫化錫納米顆粒負(fù)載在石墨烯空心球的內(nèi)壁和外壁，生長(zhǎng)在空心石墨烯球表面的二硫化錫顆粒尺寸在10?40?nm之間。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料，其特征在于，以亞微米尺寸的空心
石墨烯球?yàn)檩d體，二硫化錫納米顆粒負(fù)載在石墨烯空心球的內(nèi)壁和外壁，生長(zhǎng)在空心石墨
烯球表面的二硫化錫顆粒尺寸在10-40nm之間。
2.一種權(quán)利要求1所述一種空心石墨烯球負(fù)載納米二硫化錫復(fù)合材料的制備方法，
其特征在于，包括如下步驟：
a.合成陽(yáng)離子型聚苯乙烯球：取引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀0.1-1g加入圓底三口燒瓶中，再加
入50mL去離子水，得到過(guò)硫酸鉀溶液，在氮?dú)鈿夥諗嚢柽^(guò)硫酸鉀溶液，加熱至50-80℃，再
加入苯乙烯單體2-10mL，冷凝回流反應(yīng)24h，冷凝回流反應(yīng)進(jìn)行2-10h后加入100-500μL
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水離心洗滌，經(jīng)真空干燥6-12h，
干燥后得到的固體，即得陽(yáng)離子型聚苯乙烯球；
b.合成空心石墨烯球：將上述步驟a得到陽(yáng)離子型聚苯乙烯球分散在水中，超聲1h，
取一定量氧化石墨烯溶液超聲1h，超聲后，將分散后的氧化石墨烯水溶液與陽(yáng)離子型聚苯
乙烯球按質(zhì)量比1:4混合，再超聲30min，得到混合液，然后將上述混合液倒入圓底燒瓶，加
入...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔣永，趙兵，王志軒，高陽(yáng)，陳芳，楊雅晴，高強(qiáng)，焦正，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31