CN106299315A - 利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法 - Google Patents

利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法 Download PDF

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Abstract

利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，它涉及一种电极材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有电池负极材料的比容量小的问题。方法：一、制备柔性的三维石墨烯电极材料；二、制备三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列；三、向步骤二中含有三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中加入无水乙醇，再干燥，得到具有三维分级结构的柔性石墨烯电极，再进行清洗，干燥。本发明制备的三维复合电极材料具有优异储钠性能，其在低倍率下的储纳容量大于900mA h/g，首次库伦效率大于90％，能稳定循环在200个循环以上。本发明适用于制备三维复合电极材料。

Description

利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物 制备三维复合电极材料的方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料的制备方法。
背景技术
能源的储存和转换已成为制约世界经济可持续发展的重要问题。在目前各种技术中，锂离子电池由于具有工作电压高、容量高、自放电小和循环寿命长等优点而征服了便携式电子市场，并成为电动汽车和大规模储能系统用动力电源的首要选择。但随着数码、交通等产业对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题。钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题。钠离子电池与锂离子电池相比有4个突出优势：①原料资源丰富，成本低廉，分布广泛；②电池的半电池电势较锂离子电势高0.3V～0.4V，即能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽；③钠电池有相对稳定的电化学窗口，使用更加安全。④钠电池的负极材料可选用价格低廉质量更轻的Al箔作为集流体，而锂电池只能使用价格更贵质量更重的铜箔。与此同时，钠离子电池也存在着缺陷，如钠离子的半径比锂离子半径大70％，使得在电池材料中嵌入与脱出更难。
而用石墨作钠离子电池的负极，由于在石墨层间迁移需要高跃迁能，脱/嵌困难。所以研究电池的重要挑战之一就是找到与之适合的负极材料。使用理论比容量高的金属硫化物与石墨烯复合，可以大大提高电池的比容量，国内外已有不少有关石墨烯基复合材料的制备研究，但具有有序三维结构形貌的石墨烯基复合电极材料还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是要解决现有电池负极材料的比容量小的问题，而提供利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法。
利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、制备柔性的三维石墨烯电极材料：
①、将泡沫镍浸入到质量分数为5％～10％的盐酸溶液中10min～20min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次～3次，再使用无水乙醇清洗1次～3次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min～20℃/min的升温速率从室温升至1000℃～1100℃，再在温度为1000℃～1100℃下保温2min～15min，再以100℃/min～200℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍；
②、将石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；得到清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍；
步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
③、将清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；
步骤一③中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
④、重复步骤一③2次～3次，再置于温度为60℃～80℃的干燥箱中干燥5h～12h，得到柔性的三维石墨烯电极材料；
步骤一④中所述柔性的三维石墨烯电极材料的密度为0.5mg/cm2～1mg/cm2；
二、制备三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列：
将四氯化锡和硫代乙酰胺加入到无水乙醇中，再在室温和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，得到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液；将步骤一④得到的柔性的三维石墨烯电极材料浸入到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，在四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中得到三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列；
步骤二中所述的四氯化锡与硫代乙酰胺的摩尔比为1:3；
步骤二中所述的四氯化锡的质量与无水乙醇的体积比为(0.6g～1g):50mL；
三、向步骤二中含有三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中加入无水乙醇，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，得到具有三维分级结构的柔性石墨烯电极；将三维分级结构的柔性石墨烯电极取出，依次使用去离子、无水乙醇各对三维分级结构的柔性石墨烯电极清洗2次～4次，再在真空干燥箱中烘12h～24h，得到三维复合电极材料；
步骤三中所述的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液与无水乙醇的体积比为1:1。
本发明的原理及优点：
一、本发明利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其中三维石墨烯骨架本身具有良好的导电性，作为集流体使用可以为钠离子电池电极材料提供良好的离子输运通道以及体积膨胀缓冲空间，当在其骨架表面生长直立的层状金属硫化物的纳米片结构后，相当于在微米级多孔结构上构建纳米级三维结构，比表面积和孔隙率更大，可以有效增加活性物质与电解液的接触面积，大大增加了钠离子输运通道以及体积膨胀缓冲空间，有效的降低体积膨胀所带来的影响，更加利于电池中的脱嵌反应，极大提高了电池的性能；
二、在制备过程中，制备工艺简单、制备条件温和、价格低廉、可以规模化生产；多数金属硫化物都可以使用此方法与三维石墨烯进行复合；
三、本发明更重要的是三维石墨烯与金属硫化物进行坚固良好的复合，纳米片层的成分为金属硫化物，纳米片层与石墨烯骨架并非简单混合，其结构坚固，不容易在嵌锂和脱钠过程中被破坏；
四、本发明通过将三维石墨烯与金属硫化物复合制备具有纳米级片层的三维复合电极材料，可以增加活性物质与电解液的接触面积，并且增加了空隙率，减小体积膨胀带来的影响，可以提高电池的循环稳定性能，从而提高电池的性能；
五、本发明制备的三维石墨烯与三维分级结构金属硫化物为原料制备的三维复合电极材料与传统的粉体电极材料相比无金属集流体，电极制备过程中无需添加导电剂与粘接剂，与常见的水热法生产的电极材料相比，其大片结合小片的分级结构可以大大的提高的活性材料的负载量，提高电极能量密度；综上，本发明制备的三维复合电极材料可大幅提高电池电极材料的电化学性能；
六、本发明制备的三维复合电极材料作为钠离子电池具优异的倍率性能，其电流密度从0.2A/g增加到15A/g，电流密度增加75倍，容量从939mA h/g降低到416mA h/g，容量保留大于40％；
七、本发明制备的三维复合电极材料具有优异储钠性能，其在低倍率下的储纳容量大于900mA h/g，首次库伦效率大于90％，能稳定循环在200个循环以上。
本发明适用于制备三维复合电极材料。
附图说明
图1为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的XRD图，图1中“●”为SnS2，“◆”为石墨烯；
图2为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的比表面积测试图；
图3为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料放大250倍的SEM图；
图4为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的放大40000倍的SEM图；
图5为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列放大40000倍的SEM图；
图6为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的透射电镜图；
图7为充放电曲线，图7中1为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的充电曲线，2为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的充电曲线，3为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的放电曲线，4为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的放电曲线；
图8为倍率性能图，图8中1为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的倍率性能曲线，2为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的倍率性能曲线，A为充放电电流密度为0.2A/g，B为充放电电流密度为0.5A/g，C为充放电电流密度为1.0A/g，D为充放电电流密度为2A/g，E为充放电电流密度为6A/g，F为充放电电流密度为15A/g，G为充放电电流密度为1.0A/g。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，是按以下步骤完成的：
一、制备柔性的三维石墨烯电极材料：
①、将泡沫镍浸入到质量分数为5％～10％的盐酸溶液中10min～20min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次～3次，再使用无水乙醇清洗1次～3次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min～20℃/min的升温速率从室温升至1000℃～1100℃，再在温度为1000℃～1100℃下保温2min～15min，再以100℃/min～200℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍；
②、将石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；得到清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍；
步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
③、将清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；
步骤一③中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
④、重复步骤一③2次～3次，再置于温度为60℃～80℃的干燥箱中干燥5h～12h，得到柔性的三维石墨烯电极材料；
二、制备三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列：
将四氯化锡和硫代乙酰胺加入到无水乙醇中，再在室温和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，得到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液；将步骤一④得到的柔性的三维石墨烯电极材料浸入到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，在四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中得到三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列；
步骤二中所述的四氯化锡与硫代乙酰胺的摩尔比为1:3；
步骤二中所述的四氯化锡的质量与无水乙醇的体积比为(0.6g～1g):50mL；
三、向步骤二中含有三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中加入无水乙醇，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，得到具有三维分级结构的柔性石墨烯电极；将三维分级结构的柔性石墨烯电极取出，依次使用去离子、无水乙醇各对三维分级结构的柔性石墨烯电极清洗2次～4次，再在真空干燥箱中烘12h～24h，得到三维复合电极材料；
步骤三中所述的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液与无水乙醇的体积比为1:1。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其中三维石墨烯骨架本身具有良好的导电性，作为集流体使用可以为钠离子电池电极材料提供良好的离子输运通道以及体积膨胀缓冲空间，当在其骨架表面生长直立的层状金属硫化物的纳米片结构后，相当于在微米级多孔结构上构建纳米级三维结构，比表面积和孔隙率更大，可以有效增加活性物质与电解液的接触面积，大大增加了钠离子输运通道以及体积膨胀缓冲空间，有效的降低体积膨胀所带来的影响，更加利于电池中的脱嵌反应，极大提高了电池的性能；
二、在制备过程中，制备工艺简单、制备条件温和、价格低廉、可以规模化生产；多数金属硫化物都可以使用此方法与三维石墨烯进行复合；
三、本实施方式更重要的是三维石墨烯与金属硫化物进行坚固良好的复合，纳米片层的成分为金属硫化物，纳米片层与石墨烯骨架并非简单混合，其结构坚固，不容易在嵌锂和脱钠过程中被破坏；
四、本实施方式通过将三维石墨烯与金属硫化物复合制备具有纳米级片层的三维复合电极材料，可以增加活性物质与电解液的接触面积，并且增加了空隙率，减小体积膨胀带来的影响，可以提高电池的循环稳定性能，从而提高电池的性能；
五、本实施方式制备的三维石墨烯与三维分级结构金属硫化物为原料制备的三维复合电极材料与传统的粉体电极材料相比无金属集流体，电极制备过程中无需添加导电剂与粘接剂，与常见的水热法生产的电极材料相比，其大片结合小片的分级结构可以大大的提高的活性材料的负载量，提高电极能量密度；综上，本实施方式制备的三维复合电极材料可大幅提高电池电极材料的电化学性能；
六、本实施方式制备的三维复合电极材料作为钠离子电池具优异的倍率性能，其电流密度从0.2A/g增加到15A/g，电流密度增加75倍，容量从939mA h/g降低到416mA h/g，容量保留大于40％；
七、本实施方式制备的三维复合电极材料具有优异储钠性能，其在低倍率下的储纳容量大于900mA h/g，首次库伦效率大于90％，能稳定循环在200个循环以上。
本实施方式适用于制备三维复合电极材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一①中所述的泡沫镍的尺寸为10cm×5cm×0.1cm。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一①中所述的入CH4的气体流速为50sccm。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一①中所述的H2的气体流速为100sccm。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一①中所述的Ar的气体流速为800sccm。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一①中所述的泡沫镍的比重为0.2g/cm3～0.3g/cm3，开孔率＞98％，孔径为200μm～500μm。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一①中将泡沫镍浸入到质量分数为5％的盐酸溶液中10min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次，再使用无水乙醇清洗1次～2次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min～15℃/min的升温速率从室温升至1000℃～1050℃，再在温度为1000℃～1050℃下保温2min～8min，再以100℃/min～150℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤一①中将泡沫镍浸入到质量分数为5％的盐酸溶液中10min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次，再使用无水乙醇清洗1次～2次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以15℃/min～20℃/min的升温速率从室温升至1050℃～1100℃，再在温度为1050℃～1100℃下保温8min～15min，再以150℃/min～200℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.5mol/L～1mol/L。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一④中所述柔性的三维石墨烯电极材料的密度为0.5mg/cm2～1mg/cm2。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，是按以下步骤完成的：
一、制备柔性的三维石墨烯电极材料：
①、将泡沫镍浸入到质量分数为5％的盐酸溶液中10min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次，再使用无水乙醇清洗1次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再在温度为1000℃下保温2min，再以100℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍；
步骤一①中所述的泡沫镍的尺寸为10cm×5cm×0.1cm；
步骤一①中所述的CH4的气体流速为50sccm；
步骤一①中所述的H2的气体流速为100sccm；
步骤一①中所述的Ar的气体流速为800sccm；
步骤一①中所述的泡沫镍的比重为0.25g/cm3，开孔率＞98％，孔径为200μm～500μm；
②、将石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h，取出后再使用去离子水清洗1次；得到清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍；
步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为1mol/L；
③、将清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h，取出后再使用去离子水清洗1次；
步骤一③中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为1mol/L；
④、重复步骤一③3次，再置于温度为60℃的干燥箱中干燥5h，得到柔性的三维石墨烯电极材料；
步骤一④中所述柔性的三维石墨烯电极材料的密度为0.8mg/cm2；
二、制备三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列：
将四氯化锡和硫代乙酰胺加入到无水乙醇中，再在室温和搅拌速度为300r/min下搅拌20min，得到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液；将步骤一④得到的柔性的三维石墨烯电极材料浸入到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中，再在温度为80℃下反应40min，在四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中得到三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列；
步骤二中所述的四氯化锡与硫代乙酰胺的摩尔比为1:3；
步骤二中所述的四氯化锡的质量与无水乙醇的体积比为0.8g:50mL；
三、向步骤二中含有三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中加入无水乙醇，再在温度为80℃下反应40min，得到具有三维分级结构的柔性石墨电极；将三维分级结构的柔性石墨烯电极取出，依次使用去离子、无水乙醇各对三维分级结构的柔性石墨烯电极清洗3次，再在真空干燥箱中烘18h，得到三维复合电极材料；
步骤三中所述的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液与无水乙醇的体积比为1:1。
图1为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的XRD图，图1中“●”为SnS2，“◆”为石墨烯；
从图1可知，金属硫化物的X射线衍射峰与石墨烯的衍射峰清晰可见，证明实施例一成功利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备了三维复合电极材料。
图2为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的比表面积测试图；
从图2可知，实施例一制备的三维复合电极材料的具有较大的比表面积，比表面积为169m2·g-1，这也是该电极具有良好电化学性能的保障。
图3为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料放大250倍的SEM图；
从图3可知，具有分级结构的层状金属硫化物均匀的生长在三维石墨的骨架上。
图4为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的放大40000倍的SEM图；
从图4中可知，三维分级结构的层状金属硫化物成功的生长在三维石墨烯的骨架上。
图5为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列放大40000倍的SEM图；
从图5可知，在一步反应获得的是三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列，而不是石墨烯与三维分级结构金属硫化物复合的三维复合电极材料。
图6为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的透射电镜图；
图6进步一证明了三维层状金属硫化物的成功合成。
组装钠离子电池：
将实施例一制备的三维复合电极材料放入电池壳，滴加50μL的电解质，放入隔膜；再在隔膜上滴加50μL的电解液，使隔膜覆盖电极材料，再放入钠金属片，再盖上外壳；将电池压紧，再在室温下静置24h，得到利用实施例一制备三维复合电极材料作为钠离子电池负极材料的扣式钠离子电池；
所述的隔膜为直径为18mm的圆形；
所述的电解质浓度为1mol/L的NaPF6溶液；所述的隔膜为whatman公司的GlassfiberD；所述的电解液为碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯和氟代碳酸乙烯酯的混合液，混合液中碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯的体积比为1:1；碳酸亚乙酯与氟代碳酸乙烯酯的体积比为1:0.03；
图7为充放电曲线，图7中1为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的充电曲线，2为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的充电曲线，3为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的放电曲线，4为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的放电曲线；
由图7可知，实施例一制备的三维复合电极材料具有良好的储钠性能，具有分级结构的电极材料，其在低倍率下的储纳容量大于900mA h/g，首次库伦效率大于90％，与不具有分级结构的复合电极材料相比有着更高的容量及更高的放电平台。
图8为倍率性能图，图8中1为实施例一步骤三制备的三维复合电极材料的倍率性能曲线，2为实施例一步骤二制备的三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的倍率性能曲线，A为充放电电流密度为0.2A/g，B为充放电电流密度为0.5A/g，C为充放电电流密度为1.0A/g，D为充放电电流密度为2A/g，E为充放电电流密度为6A/g，F为充放电电流密度为15A/g，G为充放电电流密度为1.0A/g。
由图8可知，实施例一制备的三维复合电极材料与对比实验制备的石墨烯与大片SnS2三维复合电极材料比较具有更好倍率性能，其电流密度从0.2A/g增加到15A/g，电流密度增加75倍，容量从939mA h/g降低到416mA h/g，容量保留大于40％。

Claims (10)

1.利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、制备柔性的三维石墨烯电极材料：
①、将泡沫镍浸入到质量分数为5％～10％的盐酸溶液中10min～20min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次～3次，再使用无水乙醇清洗1次～3次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min～20℃/min的升温速率从室温升至1000℃～1100℃，再在温度为1000℃～1100℃下保温2min～15min，再以100℃/min～200℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍；
②、将石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；得到清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍；
步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
③、将清洗后的石墨烯包覆的泡沫镍置于FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中浸泡12h～24h，取出后再使用去离子水清洗1次～3次；
步骤一③中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.3mol/L～1mol/L；
④、重复步骤一③2次～3次，再置于温度为60℃～80℃的干燥箱中干燥5h～12h，得到柔性的三维石墨烯电极材料；
二、制备三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列：
将四氯化锡和硫代乙酰胺加入到无水乙醇中，再在室温和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，得到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液；将步骤一④得到的柔性的三维石墨烯电极材料浸入到四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，在四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中得到三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列；
步骤二中所述的四氯化锡与硫代乙酰胺的摩尔比为1:3；
步骤二中所述的四氯化锡的质量与无水乙醇的体积比为(0.6g～1g):50mL；
三、向步骤二中含有三维石墨烯骨架上生长的片状硫化物阵列的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液中加入无水乙醇，再在温度为70℃～90℃下反应35min～50min，得到具有三维分级结构的柔性石墨烯电极；将三维分级结构的柔性石墨烯电极取出，依次使用去离子、无水乙醇各对三维分级结构的柔性石墨烯电极清洗2次～4次，再在真空干燥箱中烘12h～24h，得到三维复合电极材料；
步骤三中所述的四氯化锡和硫代乙酰胺的混合溶液与无水乙醇的体积比为1:1。
2.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中所述的泡沫镍的尺寸为10cm×5cm×0.1cm。
3.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中所述的入CH4的气体流速为50sccm。
4.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中所述的H2的气体流速为100sccm。
5.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中所述的Ar的气体流速为800sccm。
6.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中所述的泡沫镍的比重为0.2g/cm3～0.3g/cm3，开孔率＞98％，孔径为200μm～500μm。
7.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中将泡沫镍浸入到质量分数为5％的盐酸溶液中10min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次，再使用无水乙醇清洗1次～2次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以10℃/min～15℃/min的升温速率从室温升至1000℃～1050℃，再在温度为1000℃～1050℃下保温2min～8min，再以100℃/min～150℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍。
8.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一①中将泡沫镍浸入到质量分数为5％的盐酸溶液中10min，得到盐酸溶液浸泡后的泡沫镍；首先使用去离子水清洗盐酸溶液浸泡后的泡沫镍1次，再使用无水乙醇清洗1次～2次，得到清洗后的泡沫镍；将清洗后的泡沫镍置于CVD炉管中，再向CVD炉管中同时通入CH4、H2与Ar，再将CVD炉管以15℃/min～20℃/min的升温速率从室温升至1050℃～1100℃，再在温度为1050℃～1100℃下保温8min～15min，再以150℃/min～200℃/min的降温速率降至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍。
9.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一②中所述的FeCl3溶液和盐酸的混合溶液中HCl的质量分数为5％，FeCl3的浓度为0.5mol/L～1mol/L。
10.根据权利要求1所述的利用三维石墨烯骨架上生长具有分级结构的层状金属硫化物制备三维复合电极材料的方法，其特征在于步骤一④中所述柔性的三维石墨烯电极材料的密度为0.5mg/cm2～1mg/cm2。
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