CN107342419A - 一种水溶性金属硒化物纳米粒子、制备方法及其应用 - Google Patents

一种水溶性金属硒化物纳米粒子、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种水溶性金属硒化物纳米粒子、制备方法及其在锂电池负极材料方面的应用，属于锂离子电池负极材料技术领域；是将氯化亚铜、氯化锡、油胺和油酸在室温搅拌均匀，在220～230℃下将二苯基二硒醚的油胺溶液快速注入其中，235～250℃下反应5～30分钟，自然冷却至室温得到油溶性金属硒化物纳米晶；将乙醇和3‑巯基丙酸混合，室温搅拌均匀，然后调节反应液的pH＝10～11；在室温条件下，超声反应液和油溶性金属硒化物纳米晶甲苯溶液的混合液，加入丙酮后离心，沉淀洗涤真空干燥后得到水溶性金属硒化物纳米粒子，粒径约20～30纳米。本发明方法制备工艺简单，工艺重复性好，产物结构稳定，导电性好，具有充放电比容量高，高倍率，循环充放电稳定等优点。

Description

一种水溶性金属硒化物纳米粒子、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种水溶性金属硒化物纳米粒子、制备方法及其在锂电池负极材料方面的应用。
背景技术
以煤炭、石油、天然气等化石能源为主的能源结构已经引发严重的能源短缺、资源争夺、气候变化与环境污染等问题，影响并威胁着人类的生存与社会的发展。在诸多储能设备中，二次锂离子电池由于其高能量密度、较长的循环寿命、成本低和环境安全等优点，在便携电子设备，如笔记本电脑、手机等中被大量应用。目前商业化的锂离子电池广泛使用的负极主要是石墨类材料，但石墨理论容量低(330mAh g-1)，很难满足电动汽车动力电源和太阳能、风能等新能源等大型储能设备的要求。因此开发具有高理论容量、高循环稳定性和良好的倍率性能的新型负极纳米材料，突破能源发展的技术瓶颈，对维持能源的可持续性发展具有极其重要的意义
锡基负极材料具有理论容量高，安全性能高等优点，成为可替代石墨的理想锂离子电池负极材料。但是，纯的锡基材料在嵌锂和脱锂过程中会发生较大的体积膨胀，导致电池循环充放电稳定性降低。并且自身导电性差和不可逆容量大等问题会制约这类材料的实际应用。目前解决这个关键问题的措施主要是与一些非活性C、石墨烯、金属等导电率较好材料进行物理或化学复合，抑制体积的膨胀的同时，提高电极材料的导电率，从而改善电极材料性能。这种方法虽然可以一定程度上提高导电性，提供有效缓冲体积膨胀的空间，但由于复合材料制备过程复杂，成本高，商业化进程缓慢。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的不足，提供了一种新型水溶性金属硒化物纳米粒子锂电池负极材料、制备方法及其应用。其制备工艺简单，环保，成本较低。解决了现有制备方法中需要复合碳材料的问题，且材料具有高充放电比容量高和高循环稳定性。
本发明所述的一种水溶性金属硒化物纳米粒子，其为正六面体型，纤锌矿型结构，分子式为Cu9Sn2Se9，平均粒径约30～40纳米，其制备步骤如下：
a.将二苯基二硒醚与油胺混合，室温磁力搅拌均匀，得到亮黄色、稳定透明、浓度为0.05mol/L～0.15mol/L的二苯基二硒醚油胺溶液；
b.将金属盐与油胺、油酸在氮气保护下混合，磁力搅拌均匀，得到金属盐油胺油酸反应混合溶液；其中所述的金属盐为氯化亚铜和氯化锡的混合，氯化亚铜、氯化锡与二苯基二硒醚的摩尔用量比为1：0.5～1：1～1.5，油酸与油胺的体积比为1～2：4，反应混合溶液中氯化亚铜的浓度为0.01mol/L～0.02mol/L；
c.在220～230℃下，将步骤a得到的二苯基二硒醚油胺溶液快速注入到金属盐油胺油酸反应混合溶液中，在235～250℃下反应5～30分钟，自然冷却至室温，得到表面未修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液；
d.向步骤c得到的金属硒化物纳米晶粗产品溶液中加入乙醇后离心，所得沉淀分别用甲苯和乙醇洗涤多次，除去反应产物中未参加反应的物质，然后将产物分散在甲苯中，得到分散性良好的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液；
e.将乙醇和3-巯基丙酸混合，室温搅拌均匀；然后用质量分数为30％的氢氧化钠水溶液调节混合液的pH＝10～11，乙醇和3-巯基丙酸的体积用量比为1：0.5～1.5，得到乙醇与3-巯基丙酸混合液；
f.在室温条件下，将步骤e得到的乙醇与3-巯基丙酸混合液与步骤d得到的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液混合，超声3～10分钟，金属硒化物纳米晶由甲苯溶液中转移到乙醇与3-巯基丙酸混合液中，将无色甲苯溶液吸出，得到表面修饰的金属硒化物纳米粒子粗产品溶液；
g.将步骤f得到的表面修饰的金属硒化物纳米粒子粗产品溶液加入丙酮后离心，所得沉淀分别用水和丙酮洗涤多次，除去反应产物中未参加反应的物质，真空干燥得到本发明所述的水溶性金属硒化物纳米晶粉末。
本发明制备的水溶性金属硒化物纳米粒子可以作为锂电池负极材料，其是以以金属锂片为参比电极；所述水溶性金属硒化物纳米粒子为活性物质，将其和Super P、羧甲基纤维素CMC以质量比7：2：1混合均匀，加入一定量的质量分数20％的乙醇水溶液搅拌成浆料，将浆料均匀涂覆于铜箔上，随后干燥浆料制成工作电极；以聚丙烯薄膜为隔膜，以碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯(体积比1：1)为溶剂的六氟磷酸锂溶液(再加入溶液质量5％的氟代碳酸乙烯酯为添加剂)为电解液，在氩气氛围保护的手套箱中组装成纽扣电池；电解液中六氟磷酸锂的浓度为1mol/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
1.本发明所制备的金属硒化物纳米粒子使用一步热注入高温液相反应法，合成方法成熟通用，工艺重复性好。产物为高质量的单分散纳米晶体，形貌尺寸相对均一，不需要水热合成所需要的高压，相对安全，大量合成的可操作性也相对较高。
2.所制备的金属硒化物纳米粒子属于新型锂离子电池负极材料，在纳米材料组分中掺入金属铜，并且通过表面改性的过程，提高了电极材料的电导，增加了材料本身的缺陷，减小了纳米材料的尺寸，从而赋予电极材料高比容量和良好的倍率性能。
3.作为新型锂离子电池负极材料，水溶性Cu9Sn2Se9具有很高的容量和很好的循环稳定性，在充放电过程中，循环100次后，仍能保持979.8mAh g-1。
附图说明
图1是本发明制得的金属硒化物纳米粒子的X射线衍射图；
图2是本发明制得的金属硒化物纳米粒子的元素分析图；
图3是本发明制得的金属硒化物纳米粒子的透射电镜照片；
图4是本发明制得的经表面修饰后的水溶性金属硒化物纳米粒子的X射线衍射图；
图5是本发明制得的金属硒化物纳米粒子表面修饰前后的红外吸收光谱；
其中(a)是表面修饰前油溶性金属硒化物纳米粒子的红外吸收光谱；(b)是表面修饰后水溶性金属硒化物纳米粒子的红外吸收光谱；
图6为本发明所制备的金属硒化物纳米粒子在0.1Ag-1下的循环稳定性曲线；其中(a)是表面修饰前油溶性金属硒化物纳米粒子的循环稳定性曲线；(b)是表面修饰后水溶性金属硒化物纳米粒子的循环稳定性曲线；
图7为本发明所制备的金属硒化物纳米粒子在0.5Ag-1下的循环稳定性曲线；
其中(a)是表面修饰前油溶性金属硒化物纳米粒子的循环稳定性；(b)是表面修饰后水溶性金属硒化物纳米粒子的循环稳定性曲线；
图8为本发明实施例1所制备的表面修饰前油溶性金属硒化物纳米粒子的倍率性曲线；
图9为本发明实施例2所制备的表面修饰后水溶性金属硒化物纳米粒子的倍率性曲线。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明中水溶性金属硒化物纳米粒子的制备作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
实施例1
(a)将0.5mmol二苯基二硒醚与5mL油胺混合在称量瓶中，室温磁力搅拌均匀，得到二苯基二硒醚的油胺溶液。
(b)先称取0.15mmol氯化亚铜和0.075mmol氯化锡到三颈瓶中，然后先后加入8mL油胺和2mL油酸，在氮气保护下混合均匀，得金属盐油胺油酸反应混合溶液。
(c)将已制备好的二苯基二硒醚油胺溶液在氮气保护下快速注入到230℃的金属盐油胺油酸反应混合溶液中，在240℃下反应6分钟自然冷却至室温，得到表面未修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液。
(d)将上一步骤得到的表面未修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液加入乙醇后离心，所得沉淀用甲苯和乙醇分别反复洗涤多次，除去反应中的未反应的多余的物质，然后将产物分散在5mL甲苯中，即可制备得分散性良好的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液。
产物经X射线粉末衍射结果和元素分析测试结果表明所得产物为纤锌矿型Cu9Sn2Se9(图1和图2)。透射电镜检测产物形貌(图3)，其粒径分布相对均匀，正六面体形状，粒径大约30～40nm。
实施例2
(a)取2mL乙醇和1.2mL 3-巯基丙酸混合均匀，然后用质量分数为30％的氢氧化钠水溶液调节混合液的pH＝10，得到乙醇与3-巯基丙酸混合液；
(b)在室温条件下，将本实施例步骤(a)得到的乙醇与3-巯基丙酸混合液和实施例1得到的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液混合，超声5分钟，金属硒化物纳米晶由甲苯溶液中转移到乙醇与3-巯基丙酸混合液中，将无色甲苯溶液吸出，得到表面修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液。
(c)将步骤(b)得到的表面修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液加入丙酮后离心，所得沉淀分别用水和丙酮洗涤多次，除去反应产物中的未参加反应的物质，真空干燥得到水溶性金属硒化物纳米晶粉末。
经表面修饰后的水溶性金属硒化物纳米粒子的X射线粉末衍射(图4)结果表明表面修饰过程没有破坏纳米材料的晶体结构，水溶性金属硒化物仍为纤锌矿型。
金属硒化物纳米粒子表面修饰前后的红外吸收光谱对比表明表面修饰过程成功的将纳米粒子表面包覆的油胺油酸替换为3-巯基丙酸。如图5所述。
实施例3
(a)称取70mg水溶性金属硒化物纳米粒子，20mg Super P和10mg羧甲基纤维素CMC研磨均匀。
(b)加入2mL、质量分数20％的乙醇水溶液搅拌成浆料。将浆料均匀涂覆于铜箔上，随后干燥浆料制成工作电极。
(c)以金属锂片为参比电极，以以碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯(体积比1：1)为溶剂的六氟磷酸锂溶液(再加入溶液质量5％的氟代碳酸乙烯酯为添加剂)为电解液，在氩气氛围保护的手套箱中组装成纽扣电池；其中所述的六氟磷酸锂的浓度为1mol/L。
(d)将所得的油溶性金属硒化物纳米材料和水溶性金属硒化物纳米材料分别作为工作电极组装成扣式电池，在充放电测试仪上测试循环性能。如图6所示，油溶性金属硒化物纳米材料在0.1Ag-1下经过100次循环后的放电容量只有187.8mAh g-1。水溶性金属硒化物纳米材料在0.1Ag-1下经过100次循环后的放电容量仍能保持979.8mAh g-1。如图7所示，油溶性金属硒化物纳米材料在0.5Ag-1下经过100次循环后的放电容量只有98.3mAh g-1。水溶性金属硒化物纳米材料在0.5Ag-1下经过100次循环后的放电容量仍能保持675.1mAh g-1。可以看出，配体交换过程显著提高了材料的循环性能。
(e)将所得的油溶性金属硒化物纳米材料和水溶性金属硒化物纳米材料分别作为工作电极组装成扣式电池，在充放电测试仪上测试倍率性能。如图8所示，在0.2、0.5、1.0、2.0、5.0Ag-1的电流密度下，水溶性金属硒化物纳米材料放电容量分别可达576.5、493.7、418.0、316.5、170.7mAh g-1，具有良好的倍率性能，性质远好于油溶性金属硒化物纳米材料(图9)。

Claims (3)

1.一种水溶性金属硒化物纳米粒子，其特征在于：其为正六面体型，纤锌矿型结构，分子式为Cu9Sn2Se9，平均粒径约30～40纳米。
2.权利要求1所述的一种水溶性金属硒化物纳米粒子的制备方法，其步骤如下：
a.将二苯基二硒醚与油胺混合，室温磁力搅拌均匀，得到浓度为0.05mol/L～0.15mol/L的二苯基二硒醚油胺溶液；
b.将金属盐与油胺、油酸在氮气保护下混合，磁力搅拌均匀，得到金属盐油胺油酸反应混合溶液；其中所述的金属盐为氯化亚铜和氯化锡的混合，氯化亚铜、氯化锡与二苯基二硒醚的摩尔用量比为1：0.5～1：1～1.5，油酸与油胺的体积比为1～2：4，反应混合溶液中氯化亚铜的浓度为0.01mol/L～0.02mol/L；
c.在220～230℃下，将步骤a得到的二苯基二硒醚油胺溶液快速注入到金属盐油胺油酸反应混合溶液中，在235～250℃下反应5～30分钟，自然冷却至室温，得到表面未修饰的金属硒化物纳米晶粗产品溶液；
d.向步骤c得到的金属硒化物纳米晶粗产品溶液中加入乙醇后离心，所得沉淀分别用甲苯和乙醇洗涤多次，除去反应产物中未参加反应的物质，然后将产物分散在甲苯中，得到分散性良好的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液；
e.将乙醇和3-巯基丙酸混合，室温搅拌均匀；然后调节混合液的pH＝10～11，乙醇和3-巯基丙酸的体积用量比为1：0.5～1.5，得到乙醇与3-巯基丙酸混合液；
f.在室温条件下，将步骤e得到的乙醇与3-巯基丙酸混合液与步骤d得到的油溶性金属硒化物纳米晶的甲苯溶液混合，超声3～10分钟，金属硒化物纳米晶由甲苯溶液中转移到乙醇与3-巯基丙酸混合液中，将无色甲苯溶液吸出，得到表面修饰的金属硒化物纳米粒子粗产品溶液；
g.将步骤f得到的表面修饰的金属硒化物纳米粒子粗产品溶液加入丙酮后离心，所得沉淀分别用水和丙酮洗涤多次，除去反应产物中未参加反应的物质，真空干燥得到水溶性金属硒化物纳米晶粉末。
3.权利要求1所述的一种水溶性金属硒化物纳米粒子在锂电池负极材料方面的应用。
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