CN105609745A - 一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料及其制备方法与应用。该复合材料由纳米级硒化镍和石墨烯复合而成，其中硒化镍呈八面体块状，硒化镍的含量为硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料质量的60-90%。制备方法为：制备有分散石墨烯的镍源，将其与硒源混合进行水热反应后，过滤洗涤、真空干燥后得到所需产品。本发明所制备的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料结构稳定，导电性能好，作为钠离子电池负极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性能。该方法成本低廉，能耗较低、控制方便、环境友好，适合钠离子电池实际应用，能够实现工业化规模生产。

Description

一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于电化学领域，具体涉及一种硒化镍/石墨烯钠离子电池负极材料及其制备方法与应用。
背景技术
锂离子电池因其能量密度大、使用时间长、满足环保要求，正逐渐取代镍镉电池和镍氢电池，成为手机、笔记本等便携式设备、电动汽车和智能电网的首选电源。随着便携式电子设备的迅速普及和电动汽车的迅猛发展，其对锂离子电池的需求不断增加。然而，较低的锂源蕴藏量和高昂的锂原料价格极大的限制了锂离子电池的发展。然而，由于钠源具有资源丰富、价格低廉和环境友好等诸多优点，钠离子电池受到了广泛关注，被认为是替代锂离子电池成为下一代储能电源的理想选择。但是，由于钠离子的离子半径比锂离子的离子半径要大许多，使得钠离子在传统的碳基和钛基钠离子电池负极材料中脱嵌比锂离子更加困难，钠离子电池的比容量较低。因此，开发新一代钠离子电池负极材料迫在眉睫。
硒化物因其具有高的比容量，在锂离子电池和钠离子电池等领域得到广泛的研究，但是硒化物的电子导电率和离子导电率导致其倍率性能较差。同时，在循环的脱嵌钠过程中，较大的体积变化极大地降低了硒化物的循环稳定性。因此，如何提高硒化物的电子导电性和循环稳定性，是硒化物钠离子电池负极材料研究的关键。本发明利用水热法将硒化镍与石墨烯复合制备出硒化镍/石墨烯复合材料，截止目前为止，还没有相关的合成方法报道，也没有利用相关复合材料制作钠离子电池负极材料的报道。
发明内容
针对目前传统的钠离子电池碳基负极材料导电性能较差，电池充放电循环过程中其比容量衰减过快等不足，本发明提出一种硒化镍（NiSe2）/石墨烯钠离子电池负极材料及其制备方法与应用，可改善钠离子电池负极材料的结构稳定性和电化学性能，提高材料在充放电过程下的循环性能和倍率性能。另外，本发明提供的硒化镍/石墨烯制备方法成本低廉、过程简单和环境友好，能够促进规模化生产钠离子电池负极材料，适用于工业化应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先将镍源和石墨烯加入到模板剂中，超声1-10小时，得到分散液；
2）将分散液与硒源进行均匀混合，在160~240℃下进行水热反应5-48h；
3）将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别洗涤3-5次，在真空干燥箱中60-90℃下烘干后，得到硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。
作为优选，步骤1）所述镍源为乙酸镍、硝酸镍、硫酸镍和氯化镍中的一种或几种。
作为优选，步骤1）所述的模板剂为去离子水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇和二甲基甲酰胺中的一种或几种。
作为优选，步骤2）所述硒源为硒粉、二氧化硒、亚硒酸钠和硒代硫酸钠中的一种或几种。
作为优选，所述硒源与镍源加入摩尔比控制在Ni：Se=1:（2~2.5）。
作为优选，步骤2）所述水热反应时间为10~48小时。
由以上所述的制备方法制得的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料，该复合负极材料由片状石墨烯均匀包裹纳米硒化镍颗粒构成。
作为优选，所述的纳米硒化镍质量占硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料总质量的60~90％，所述的纳米硒化镍颗粒的粒径为50~800nm，且可在适当范围内调控。
作为优选，所述的硒化镍是硒源和镍源在水热反应中生成纳米硒化镍并沉积生长在石墨烯表面而成。
以上所述的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料在钠离子电池中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）由于石墨烯基体具有良好的导电性以及均匀的分散性，使得本发明硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料在充放电过程中便于载流子的传输，还能有效地缓解体积变化从而保持结构的稳定性。
2）由于石墨烯的分散和包裹作用，能够使硒化镍颗粒分布均匀，硒化镍颗粒的粒径为50~800nm，且可在适当范围内调控。
3）该方法成本低廉，能耗较低、控制方便、环境友好，适合钠离子电池实际应用，能够实现工业化规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中所得硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料的XRD图。
图2为本发明实施例1中所得硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料的拉曼光谱图。
图3为本发明实施例1中所得硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料的SEM图。
图4为本发明实施例1中所得硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料作为钠离子电池负极材料的恒流充放电性能图。
图5为本发明实施例1中所得硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料作为钠离子电池负极材料的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定发明的实施范围。
实施例1：
（1）称取0.586g的硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O）与0.1g的石墨烯加入到80ml的去离子水中，超声2小时后，得到分散液。将上述得到的分散液与0.32g硒粉均匀混合，在200℃温度下进行水热反应20h。将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别将所得固体洗涤3次后，在真空干燥箱中60℃下烘干后，得到硒化镍含量为76.91wt％的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。X射线粉末衍射（XRD）分析表明所得的产物为纯硒化镍，没有其他任何杂相，结晶度高（如图1所示）。从Raman光谱图中可以看到，在位移1350cm-1左右出现D峰，位移1600cm-1左右出现G峰，证明本实施例所得产品具有石墨烯结构（如图2所示）。扫描电子显微镜（SEM）图中可以看出石墨烯均匀包裹在八面体纳米硒化镍颗粒表面，粒径为400-500nm（如图3所示）。
（2）采用本实施例制备的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料与钠片组装成扣式电池。在25℃下，以100mA/g的倍率在0.01-3.0V间进行恒流充放电测试时，其首次放电容量为314.7mAh/g，首次充电容量达到303.6mAh/g（如图4所示）。在25℃下，以1A/g的倍率下在0.01-3.0V区间进行恒流充放电测试时，循环35周后，其可逆容量为225mAh/g（如图5所示）。
实施例2：
（1）称取0.526g的硫酸镍（NiSO4·6H2O）与0.15g的石墨烯加入到80ml的纯乙醇中，超声5小时，得到分散液。将上述得到的分散液与0.32g的硒粉均匀混合，在180℃温度下进行水热反应30h。将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别将所得固体洗涤3次，在真空干燥箱中90℃下烘干后得到硒化镍含量为65.36wt％的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。进一步由XRD和拉曼光谱图分析表明，制备得到硒化镍/石墨烯复合材料成分与实施例1类似，由硒化镍和石墨烯构成。从SEM图中可以看出石墨烯均匀地包裹在八面体纳米硒化镍颗粒表面，粒径为200-300nm。
（2）将本实施例制备的硒化镍/石墨烯负极材料与钠片组装成扣式电池。在25℃下，以100mA/g的倍率在0.01-3.0V间进行恒流充放电测试时，其首次放电容量可达到512.5mAh/g，首次充电容量达到484.7mAh/g。在25℃下，以1A/g的倍率下在0.01-3.0V区间进行恒流充放电测试时，循环50周后，其可逆容量为396.8.0mAh/g。
实施例3：
1）称取0.586g的硝酸镍（Ni（NO3）2·6H2O）与0.1g的石墨烯加入到80ml的纯甲醇中，超声1小时后，得到分散液。将上述得到的分散液与0.44g的二氧化硒均匀混合，在160℃温度下进行水热反应40h。将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别将所得固体洗涤3次，在真空干燥箱中60℃下烘干后得到硒化镍含量为76.91wt％的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。进一步由（XRD）图谱和拉曼光谱图分析表明，制备得到硒化镍/石墨烯复合材料结果与实施例1类似，由硒化镍和石墨烯构成。从SEM图中可以看出石墨烯均匀地包裹在八面体纳米硒化镍颗粒表面，粒径为300-500nm。
（2）将本实施例制备的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料与钠片组装成扣式电池。在25℃下，以100mA/g的倍率在0.01-3.0V间进行恒流充放电测试时，其首次放电容量为586.2mAh/g，首次充电容量为534.6mAh/g。在25℃下，以1A/g的倍率下在0.01-3.0V区间进行恒流充放电测试时，循环50周后，其可逆容量为473.0mAh/g。
实施例4：
（1）称取0.498g的乙酸镍（C4H6O4Ni·4H2O）与0.1g的石墨烯加入到80ml的乙二醇中，超声8小时后，得到分散液。将上述得到的分散液与0.69g的亚硒酸钠均匀混合，在240℃温度下进行水热反应6h。将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别将所得固体洗涤3次，在真空干燥箱中60℃下烘干后得到硒化镍含量为76.91wt％的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。XRD图谱和拉曼光谱图分析表明，制备得到硒化镍/石墨烯复合材料结果与实施例1类似，由硒化镍和石墨烯构成。从SEM图中可以看出石墨烯均匀地包裹在八面体纳米硒化镍颗粒表面，粒径为500-700nm。
（2）将本实施例制备的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料与钠片组装成扣式电池。在25℃下，以100mA/g的倍率在0.01-3.0V间进行恒流充放电测试时，其首次放电容量可达到607.7mAh/g，首次充电容量达到543.5mAh/g。在25℃下，以1A/g的倍率下在0.01-3.0V区间进行恒流充放电测试时，循环50周后，其可逆容量为501.1mAh/g。
实施例5：
（1）称取0.475g的氯化镍（NiCl2·6H2O）与0.1g的石墨烯加入到80ml的二甲基甲酰胺中，超声3小时后，得到分散液。将上述得到的分散液与0.82g硒代硫酸钠均匀混合，在220℃温度下进行水热反应15h。将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别将所得固体洗涤3次，在真空干燥箱中60℃下烘干后得到硒化镍含量为76.91wt％的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。XRD图谱和拉曼光谱图分析表明，制备得到硒化镍/石墨烯复合材料结果与实施例1类似，由硒化镍和石墨烯构成。从SEM图中可以看出石墨烯均匀包裹在八面体纳米硒化镍颗粒表面，粒径为600-800nm。
（2）将本实施例制备的硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料与钠片组装成扣式电池。在25℃下，以100mA/g的倍率在0.01-3.0V间进行恒流充放电测试时，其首次放电容量可达到579.8mAh/g，首次充电容量达到521.4mAh/g。在25℃下，以1A/g的倍率下在0.01-3.0V区间进行恒流充放电测试时，循环50周后，其可逆容量为464.7mAh/g。

Claims (10)

1.一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）首先将镍源和石墨烯加入到模板剂中，超声1-10小时，得到分散液；
2）将分散液与硒源进行均匀混合，在160~240℃下进行水热反应5-48h；
3）将水热反应产物固液分离，用水和酒精分别洗涤固体3-5次，在真空干燥箱中60-90℃下烘干后，得到硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述镍源为乙酸镍、硝酸镍、硫酸镍和氯化镍中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的模板剂为去离子水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇和二甲基甲酰胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述硒源为硒粉、二氧化硒、亚硒酸钠和硒代硫酸钠中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硒源与镍源加入摩尔比控制在Ni：Se=1:（2~2.5）。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述水热反应时间为10~48小时。
7.由权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料，其特征在于，该复合负极材料由片状石墨烯均匀包裹纳米硒化镍颗粒构成。
8.根据权利要求7所述的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料，其特征在于，所述的纳米硒化镍质量占硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料总质量的60~90％，所述的纳米硒化镍颗粒的粒径为50~800nm。
9.根据权利要求7所述的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料，其特征在于，所述的硒化镍是硒源和镍源在水热反应中生成纳米硒化镍并沉积生长在石墨烯表面而成。
10.权利要求7所述的一种硒化镍/石墨烯钠离子电池复合负极材料在钠离子电池中的应用。
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