CN104091945B - 一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用 - Google Patents

一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用，涉及硫铜化合物。所述一维棒状硫铜化合物为一维棒状CuxS，其中0≤x≤2。所述制备方法：将铜的无机盐溶于二甲基亚砜溶剂中，磁力搅拌成淡绿色溶液，再将淡绿色溶液放入反应釜内，然后放在鼓风烘箱内加热反应后，经离心清洗，干燥后得到黑色一维棒状硫铜化合物。所述一维棒状硫铜化合物可在制备锂离子电池负极中应用。利用溶剂热合成法制备一维棒状硫铜化合物，合成方法简单快捷，不需要添加特定的表面活性剂及相关模板。制备出的材料具有特定的一维结构，这些一维线状结构可以交联堆叠成良好的三维网络结构，利于锂离子电子的传输与电解液的浸润，因此具有较好的电化学性能。

Description

一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及硫铜化合物，尤其是涉及一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用。
背景技术
作为一种新型锂电负极材料，硫铜化合物具有众多优点(Y.Chen；C.Davoisne；J.Tarascon；C.Guery.Growth of single-crystal copper sulfide thin films viaelectrodeposition in ionic liquid media for lithium ion batteries.J.of MaterChem.2012,22,5295-5299.)：1.具有较高的理论容量；2.较长且平坦的电化学平台；3.较好的导电性。然而，其仍具有以下缺点亟待改善(S.C.Han；M.S.Song；H.Lee；H.S.Kim；H.J.Ahn；J.Y.Lee.Effect of Multiwalled Carbon Nanotubes on ElectrochemicalProperties of Lithium/Sulfur Rechargeable Batteries.J.Electrochem.Soc.2003,150,A889-A893.)，比如：1.循环过程中容量在缓慢衰减；2.充放电过程中具有一定的体积变化；3.因为常用的醚类电解液会溶解聚硫化合物，导致活性材料的损失，从而降低了电极的可逆容量。其中通用的解决方法主要是合成纳米尺寸的材料。
目前，硫铜化合物纳米材料的制备方法很多，常用的有化学沉淀法、溶胶凝胶法、固相合成法等。这些方法在一定程度上存在不足，譬如产物尺寸、形貌难于控制；高温反应条件苛刻或是制备过程比较复杂；或是产物纯度低结晶度较差等。因此，如何简易制备高纯度、高分散、尺寸可控、形貌规整的硫铜化合物纳米材料仍然是一个关键的问题。因为随着充放电过程的重复进行，一维结构材料可以有效缓解材料的体积变化。因此近年来，越来越多的科研工作者开始关注一维材料的制备。虽然一维材料的制备方法已经有很多种，但是合成物化性质均一的一维材料对于我们仍然是个挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一维棒状硫铜化合物及其制备方法与应用。
所述一维棒状硫铜化合物为一维棒状CuxS，其中0≤x≤2。
所述一维棒状硫铜化合物的制备方法的具体步骤如下：
将铜的无机盐溶于二甲基亚砜溶剂中，磁力搅拌成淡绿色溶液，再将淡绿色溶液放入反应釜内，然后放在鼓风烘箱内加热反应后，经离心清洗，干燥后得到黑色一维棒状硫铜化合物。
所述铜的无机盐可选自硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、乙酸铜等中的一种，优选含有结晶水的硫酸铜或氯化铜等；所述铜的无机盐在溶液中的摩尔浓度可为0.005～0.05mol/l。
所述反应釜的内衬材质可采用耐高温至250℃的聚四氟乙烯高分子材料。
所述加热反应的温度可为140～220℃，加热反应的时间可为5～24h；优选加热反应的温度为180℃，加热反应的时间可为6h。
所述离心清洗的试剂可为硫的良溶剂，所述硫的良溶剂可选自二硫化碳、四氯化碳、苯、甲苯等中的一种，优选四氯化碳等，其目的是清洗掉多余的硫。
所述干燥的条件可置于真空烘箱中40～60℃烘干12～24h。
所述一维棒状硫铜化合物可在制备锂离子电池负极中应用。
本发明利用溶剂热合成法制备一维棒状硫铜化合物，合成方法简单快捷，不需要添加特定的表面活性剂及相关模板。制备出的材料具有特定的一维结构，这些一维线状结构可以交联堆叠成良好的三维网络结构，利于锂离子电子的传输与电解液的浸润，因此具有较好的电化学性能。
本发明的制备方法不需要表面活性剂及模板参与，将硫酸铜与二甲基亚砜在不同比例下溶剂热反应，即可制备出具有一维结构不同硫铜比例的硫铜化合物。本发明具有原料易得、操作简单、高效快捷等特点，制备的硫铜化合物纳米棒还具有形貌规整、硫铜比例可控、纯度结晶度高、稳定性好等优点；由本发明制备的硫铜化合物纳米材料不但在锂离子电池还可在其它光电领域上进行广泛应用。
附图说明
图1为实施例1中CuS材料的XRD图；
图2为实施例1中CuS材料的SEM图；
图3为实施例1中CuS材料的电化学循环性能图；
图4为实施例2中Cu2S材料的XRD图；
图5为实施例2中Cu2S材料的SEM图；
图6为实施例2中Cu2S材料的电化学循环性能图。
具体实施方式
上述提供的一种锂离子电池用硫化物负极CuxS(0≤x≤2)材料及其制备方法，能够制备得到一维纳米棒状纳材料，其中平均纳米棒直径约为100nm。该电极材料的电化学稳定性能要明显优于常规硫化物负极材料。且该方法技术成本低，工艺简单。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
材料制备：
选用传统的合成方法，将一定量的CuSO4·5H2O溶解于一定量的DMSO制备出浓度为0.0075M的硫酸铜溶液，搅拌30min后形成了均匀的浅绿溶液。将该溶液放于反应釜内，放在鼓风烘箱内，自然升温至180℃后，在此温度下反应6h，降至室温时将材料取出。通过反复离心洗涤即可获得黑色的硫化铜活性材料(洗涤溶剂优选四氯化碳)。
材料表征：
利用扫描电子显微镜(HITACHI S-4800)分析材料的粒径，得图1，从图可知该电极材料为一维纳米棒，纳米棒的直径约为100nm。；通过XRD衍射仪(使用Philips X接从马弗炉中取出，在空气中冷却至室温，即可得衍射仪与Cu KSu射线源)分析材料的晶体结构得图2，从图可知制备的材料为CuS，其与标准卡片JCPDS：03-065-7111相符合，属于斜方晶系，晶格常数分别为a＝0.376nm,b＝0.656nm，c＝1.624nm。
电化学性能测试
将所制得的电极材料CuS与乙炔黑和PVDF按质量比8∶1∶1混合均匀，加入适量N-甲基吡咯烷酮溶解，将浆料涂膜在铜箔上制得电极。将此试验电极在真空烘箱中110℃干燥24h，在高纯氩气氛手套箱中其中电解质为1mol/l的LiTFSI盐，溶剂为体积比1∶1的DME与DOL混合的溶液。以玻璃纤维滤纸为吸液膜，PP膜为隔膜，金属锂为电池负极组装成2016扣式电池。放充电条件：以相同的电流密度放电到1V后再充电到3V，选择的电流密度为100mA/g。
对上述电池进行测试，得图3，可知：按实施例1方法制备的电极材料在100mA/g电流密度下充放电具有较好的电化学稳定性，首次放电容量为547mAh/g，首次库伦效率为94％，循环100周后可逆容量高达472mAh/g,容量保持率为92％。
实施例2：
材料制备：
选用传统的合成方法，将一定量的CuSO4·5H2O溶解于一定量的DMSO制备出浓度为0.02mol/l的硫酸铜溶液，搅拌30min后形成了均匀的浅绿溶液。将该溶液放于反应釜内，放在鼓风烘箱内，自然升温至180℃后，在此温度下反应6h，降至室温时将材料取出。通过反复离心洗涤即可获得黑色的硫化铜活性材料(洗涤溶剂优选四氯化碳)。
材料表征：
利用扫描电子显微镜(HITACHI S-4800)分析材料的粒径，得图4，从图可知该电极材料为一维纳米棒，纳米棒的直径约为150nm。；通过XRD衍射仪(使用Philips X接从马弗炉中取出，在空气中冷却至室温，即可得衍射仪与Cu KSu射线源)分析材料的晶体结构得图5，从图可知制备的材料为Cu2S，其与标准卡片JCPDS：00-003-1071相符合，属于斜方晶系，其晶格常数分别为a＝1.350nm,b＝2.732nm，c＝1.185nm。
电化学性能测试
将所制得的电极材料Cu2S与乙炔黑和PVDF按质量比8∶1∶1混合均匀，加入适量N-甲基吡咯烷酮溶解，将浆料涂膜在铜箔上制得电极。将此试验电极在真空烘箱中110℃干燥24h，在高纯氩气氛手套箱中其中电解质为1mol/l的LiTFSI盐，溶剂为体积比1∶1的DME与DOL混合的溶液。以玻璃纤维滤纸为吸液膜，PP膜为隔膜，金属锂为电池负极组装成2016扣式电池。放充电条件：以相同的电流密度放电到1V后再充电到3V，选择的电流密度为100mA/g。
对上述电池进行测试，得图6，可知：按实施例1方法制备的电极材料在100mA/g电流密度下充放电具有较好的电化学稳定性，首次放电容量为350mAh/g，首次库伦效率为94％，循环100周后可逆容量高达313mAh/g,容量保持率为96％。
实施例3：
使用传统固相混合法制备，按摩尔比Cu∶S＝1∶1的铜粉与硫粉混合均匀后,放入密封装有惰性气氛的玻璃管中，在马弗炉中400℃下反应3h，自然降温至室温时将材料取出。电化学测试与实施例1相同，按实施例1方法制备的电极材料在100mA/g电流密度下充放电，首次放电容量为500mAh/g,循环100周后可逆容量保持在372mA/g,容量保持率为74％。
实施例4：
使用传统固相混合法制备，按摩尔比Cu∶S＝2∶1的铜粉与硫粉混合均匀后,放入密封装有惰性气氛的玻璃管中，在马弗炉中400℃下反应3h，自然降温至室温时将材料取出。电化学测试与实施例1相同，按实施例1方法制备的电极材料在100mA/g电流密度下充放电，首次放电容量为310mAh/g,循环100周后可逆容量保持在252mA/g,容量保持率为81％。
通过对比实施例1～4，可知：采用本发明所述技术方案得到的电极材料的循环稳定性能有一定提高。
表1
发明具体实施例的有关电化学性能数据详见表1。

Claims (1)

1.一维棒状硫铜化合物Cu2S在制备锂离子电池负极中的应用，其特征在于，所述一维棒状硫铜化合物Cu2S由以下方法制备得到：将一定量的CuSO4·5H2O溶解于一定量的DMSO制备出浓度为0.02mol/L的硫酸铜溶液，搅拌30min后形成了均匀的浅绿溶液；将该溶液放于反应釜内，放在鼓风烘箱内，自然升温至180℃后，在此温度下反应6h，降至室温时将材料取出，通过反复离心洗涤即可获得黑色的硫化铜活性材料，即所述一维棒状硫铜化合物Cu2S；
将所述Cu2S与乙炔黑和PVDF按质量比8∶1∶1混合均匀，加入适量N-甲基吡咯烷酮溶解，将浆料涂膜在铜箔上制得电极；将所述电极在真空烘箱中110℃干燥24h，在高纯氩气氛手套箱中，其中电解质为1mol/L的LiTFSI盐，溶剂为体积比1∶1的DME与DOL混合的溶液，以玻璃纤维滤纸为吸液膜，PP膜为隔膜，金属锂为电池负极组装成2016扣式电池。
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