CN107919464A - 一种锂离子电池碲化钼阳极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的导电材料，且所述导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％‑15％。若导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比小于5％，会造成1T’型二碲化钼晶体的团聚；导电材料在碲化钼阳极材料中的质量百分比大于15％，1T’型二碲化钼晶体不能充分发挥其优异的电化学性质；导电材料包覆1T’型二碲化钼晶体，且导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％‑15％可以使该锂离子电池碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能和良好的循环性能。本发明还提供了一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，工艺简单，环保高效。

Description

一种锂离子电池碲化钼阳极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池技术领域，更具体的说，本发明涉及一种锂离子电池碲化钼阳极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池被广泛的用于便携式电子和混合动力交通工具中。在过去的二十年中，石墨因为其广泛来源与稳定的循环性能而被广泛的应用于锂离子电池中的标准阳极材料。然而，迄今为止，基于石墨的电池较差的倍率性能和低理论比容量(372mAh·g-1)不能够满足现在市场的需求。寻求具有高容量，高库伦效率和优异的倍率性能的阳极材料对于锂离子电池来说是最为重要的。
近年来，二维层状过渡金属二硫化物(TMDCs)纳米晶体被作为阳极材料逐渐被人们开发使用。层状过渡金属硫属化合物由许多片层堆叠而成，而每层都由许多结构牢固的X-M-X组成。而在层与层之间，通过很弱的范德华力连接形成层状结构。由于其层间距较大而且层与层之间的作用力较弱，因此锂离子很容易实现可逆电化学脱嵌，从而能增大材料的储锂容量和倍率性能。二碲化钼在TMDCs中是独特的半金属，其1T’相具有巨大的磁阻(MR)、高载波迁移率和较窄能带。这些优良的性能使得其在光学元件和场效应晶体管等领域有很大的潜在应用价值，并在储锂方面具有很好的应用前景。但是二碲化钼容易团聚，并且其优先生长惰性的内层结构，而非活性片层边缘，大量的团聚体进一步抑制了活性边缘的暴露，不利于循环寿命的延长，再加上其较差的导电性，二碲化钼的优异性能通常无法得到充分利用。因此，将二碲化钼与其他高导电的基材进行高效复合具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，解决现有技术中锂离子电池阳极材料倍率性能差和循环性能差的技术问题。
为达到上述技术目的，提供了一种锂离子电池碲化钼阳极材料及其制备方法。
本发明第一方面提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的导电材料，且所述导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％-15％。
本发明第二方面提供了上述锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，步骤包括：将1T’型二碲化钼晶体与导电材料按照质量比为19:1-17:3混合球磨，制得碲化钼阳极材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明提供的碲化钼阳极材料，包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型碲化钼晶体外表面的导电材料，且导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％-15％，若导电材料的质量百分比小于5％，则不能将1T’型二碲化钼晶体完全包裹或者包裹不均匀，不足以抑制碲化钼阳极材料在锂离子的嵌入和脱出过程中的体积变化，从而造成团聚，不利于锂离子电池循环寿命的延长；若导电材料的质量百分比大于15％，1T’型二碲化钼晶体不能充分发挥其优异的电化学性质，影响了锂离子电池的容量；所以导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％-15％，可以防止1T’型二碲化钼晶体的团聚，并充分发挥1T’型二碲化钼晶体的优异性能，从而使得本发明的碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能和良好的循环性能。另外本发明制备碲化钼阳极材料的方法，避免了溶剂与催化剂的使用，降低了成本，工艺简单，环保高效。
附图说明
图1为实施例1制得的锂离子电池容量测试结果图；
图2为实施例1制得的锂离子电池在电流密度为100mA·g-1时的循环寿命图。
具体实施方式
本实施例提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，具体地，包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的导电材料，且所述导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％-15％。
具体地，所述碲化钼阳极材料的粒径为50nm-200nm；如果碲化钼阳极材料的粒径小于50nm，制备工艺繁琐且能耗大，增加成本；如果粒径大于200nm，会带来较大的界面电阻，导致锂离子电池容量降低。
具体地，所述导电材料为石墨烯、丙烯酸树脂、聚苯胺和聚噻吩中的至少一种；作为优选导电材料选用石墨烯。
本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法，步骤包括：将1T’型二碲化钼晶体与导电材料按照质量比为19:1-17:3混合球磨，制得碲化钼阳极材料。
具体地，还包括制备1T’型二碲化钼晶体的步骤：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合，在真空下于800-1000℃烧制72-168小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)在800-1000℃下，将所述二碲化钼多晶粉末和四氯化碲混合，烧制72-168小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将所述二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体。
具体地，所述球磨中转速为300-600rpm，时间为12-48小时。
具体地，所述制备1T’型二碲化钼晶体中步骤2)的四氯化碲质量浓度为2.5mg.ml-1-3.0mg.ml-1。四氯化碲起到诱导剂的作用，诱导二碲化钼形成1T’型二碲化钼；如果四氯化碲浓度低于2.5mg.ml-1达不到完全诱导的作用，如果浓度高于3.0mg.ml-1，在反应过程中会有爆炸危险。
作为本发明锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法的一种改进，所述制备1T’型二碲化钼晶体中步骤1)的反应器使用旋转真空密封系统进行封口。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。
下面将结合具体实施例对本发明提供的锂离子电池碲化钼阳极材料及其制备方法予以进一步说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
由于导电材料在本发明中的作用大致相同，下述实施例中导电材料均选用石墨烯进行示例说明，所述石墨烯是由石墨在球磨机中球磨制得的。
实施例1
该实施提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的石墨烯，且石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为10％。本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，具体如下：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合加入硅安瓿中，使用旋转真空密封系统对硅安瓿进行封口，并加热到800℃烧制72小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)将步骤1)制得的二碲化钼多晶粉末和质量浓度为2.7mg.ml-1四氯化碲加入硅安瓿中混合，并加热到900℃烧制100小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将得到的二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体；
4)取步骤3)中1T’型二碲化钼晶体与石墨以9：1的质量比在400rpm转速下混合球磨24小时，得到粒径为200nm的碲化钼阳极材料。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。取上述锂离子电池5个，编号为M1-M5，对M1-M5进行容量和循环寿命测试，测试结果见表1、图1和图2。。
由表1和图1可以看出，随着电流密度的不断增大，充放电容量逐渐降低，在最大电流密度为1000mA·g-1时，电池的比容量依然可以保持在490mAh·g-1，高于基于石墨的电池的理论比容量372mAh·g-1；电流密度为1000mA·g-1时电池的比容量为490mAh·g-1，与电流密度为100mA·g-1时电池的比容量为600mAh·g-1相比,说明了碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能。
由图2可以看出，在100mA·g-1电流密度下，电池循环400次后，容量保持率仍然为99.7％，说明了碲化钼阳极材料具有良好的循环性能。另外从图1也可以看出，随着电流密度的不断增大，充放电容量逐渐降低，但当电流密度由1000mA·g-1突然降低到100mA·g-1时，电池的比容量由490mAh·g-1立即增加到600mAh·g-1以上，说明了该碲化钼阳极材料卓越的结构稳定性，从而也进一步说明了该碲化钼阳极材料的循环性能好。
表1实施例1锂离子电池容量测试
电池编号 电流密度(mA g-1) 比容量(mAh g-1)
M1 50 620
M2 100 600
M3 200 574
M4 500 536
M5 1000 490
实施例2
该实施提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的石墨烯，且石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为5％。本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，具体如下：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合加入硅安瓿中，使用旋转真空密封系统对硅安瓿进行封口，并加热到850℃烧制100小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)将步骤1)制得的二碲化钼多晶粉末和质量浓度为2.5mg.ml-1四氯化碲加入硅安瓿中混合，并加热到800℃烧制168小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将得到的二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体；
4)取步骤3)中1T’型二碲化钼晶体与石墨以19：1的质量比在300rpm转速下混合球磨45小时，得到粒径为150nm的碲化钼阳极材料。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。对制得的锂离子电池进行容量和循环寿命测试，在最大电流密度为1000mA·g-1时，电池的比容量依然可以保持在467mAh·g-1，与100mA·g-1电流密度下的576mAh·g-1的比容量相比,说明了碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能。
在100mA·g-1电流密度下，电池循环400次后，容量保持率仍然为99.1％，说明了碲化钼阳极材料具有良好的循环性能。
实施例3
该实施提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的石墨烯，且石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为15％。本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，具体如下：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合加入硅安瓿中，使用旋转真空密封系统对硅安瓿进行封口，并加热到820℃烧制168小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)将步骤1)制得的二碲化钼多晶粉末和质量浓度为2.8mg.ml-1四氯化碲加入硅安瓿中混合，并加热到950℃烧制80小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将得到的二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体；
4)取步骤3)中1T’型二碲化钼晶体与石墨以17：3的质量比在500rpm转速下混合球磨20小时，得到粒径为120nm的碲化钼阳极材料。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。对制得的锂离子电池进行容量和循环寿命测试，在最大电流密度为1000mA·g-1时，电池的比容量依然可以保持在463mAh·g-1，与100mA·g-1电流密度下的572mAh·g-1的比容量相比,说明了碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能。
在100mA·g-1电流密度下，电池循环400次后，容量保持率仍然为99.0％，说明了碲化钼阳极材料具有良好的循环性能。
实施例4
该实施提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的石墨烯，且石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为11.1％。本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，具体如下：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合加入硅安瓿中，使用旋转真空密封系统对硅安瓿进行封口，并加热到1000℃烧制90小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)将步骤1)制得的二碲化钼多晶粉末和质量浓度为3.0mg.ml-1四氯化碲加入硅安瓿中混合，并加热到980℃烧制72小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将得到的二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体；
4)取步骤3)中1T’型二碲化钼晶体与石墨以8：1的质量比在350rpm转速下混合球磨48小时，得到粒径为50nm的碲化钼阳极材料。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。对制得的锂离子电池进行容量和循环寿命测试，在最大电流密度为1000mA·g-1时，电池的比容量依然可以保持在485mAh·g-1，与100mA·g-1电流密度下的594mAh·g-1的比容量相比,说明了碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能。
在100mA·g-1电流密度下，电池循环400次后，容量保持率仍然为99.5％，说明了碲化钼阳极材料具有良好的循环性能。
实施例5
该实施提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的石墨烯，且石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为8％。本实施例还提供一种锂离子电池碲化钼阳极材料的制备方法，具体如下：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合加入硅安瓿中，使用旋转真空密封系统对硅安瓿进行封口，并加热到900℃烧制96小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)将步骤1)制得的二碲化钼多晶粉末和质量浓度为2.9mg.ml-1四氯化碲加入硅安瓿中混合，并加热到1000℃烧制75小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将得到的二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体；
4)取步骤3)中1T’型二碲化钼晶体与石墨以23：2的质量比在600rpm转速下混合球磨12小时，得到粒径为100nm的碲化钼阳极材料。
将上述碲化钼阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以石墨烯负载二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池。对制得的锂离子电池进行容量和循环寿命测试，在最大电流密度为1000mA·g-1时，电池的比容量依然可以保持在472mAh·g-1，与100mA·g-1电流密度下的587mAh·g-1的比容量相比,说明了碲化钼阳极材料具有优异的倍率性能。
在100mA·g-1电流密度下，电池循环400次后，容量保持率仍然99.3％，说明了碲化钼阳极材料具有良好的循环性能。
对比例1
取粒径为150nm的1T’型二碲化钼晶体作为锂离子电池的阳极材料。
将上述阳极材料和以金属锂为对电极做成CR2016型纽扣电池，加入固态电解质，在手套箱内进行装配，就得到以1T’型二碲化钼晶体为阳极材料的锂离子电池，将所述锂离子电池编号为C1。在相同的电流密度下，对实施例1和对比例1中制得的两种锂离子电池分别进行容量和循环寿命测试；为了操作方便直接选取实施例1中编号为M2的锂离子电池和对比例1中编号为C1的锂离子电池进行测试，测试结果见表2。
从表2可以看出：在相同的电流密度下，M2的比容量和容量保持率均高于C1的，且M2的循环寿命相对于C1的循环寿命有显著的提高。这是由于石墨烯包裹二碲化钼晶体可以促进二碲化钼晶体的电荷转移，减少过度的压力，防止在循环过程中的二碲化钼晶体的团聚，改善了碲化钼阳极材料的循环性能，从而延长锂离子电池循环寿命。
表2 M2与C1的寿命测试
因此通过实施例1-实施例5以及对比例，可以得出该碲化钼阳极材料优异的倍率性能和循环性能，用该碲化钼阳极材料制得的锂离子电池具有容量高和循环寿命长的优点，且当石墨烯在碲化钼阳极材料中的质量比为10％，碲化钼阳极材料的倍率性能最好。
这是由于该阳极材料中加入1T’型二碲化钼晶体，1T’型二碲化钼晶体是半金属二维层状材料，具有不同于传统石墨材料的导离子性，从而能够保证锂离子的自由嵌入和脱出。同时，由于球磨过程的剪切力，层状材料内部产生大量缺陷与空位，改善了碲化钼阳极材料的倍率性能，有利于提高锂离子电池的容量；该阳极材料用石墨烯包裹二碲化钼晶体可以防止在循环过程中的二碲化钼晶体的团聚，也改善了碲化钼阳极材料的循环性能，从而延长锂离子电池循环寿命。
根据上述说明书的揭示，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方案进行变更和修改。因此，本发明并不局限于所描述的具体方案，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种锂离子电池碲化钼阳极材料，其特征在于，包含1T’型二碲化钼晶体和包覆在所述1T’型二碲化钼晶体外表面的导电材料，且所述导电材料在碲化钼阳极材料中的质量比为5％-15％。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池碲化钼阳极材料，其特征在于，所述碲化钼阳极材料的粒径为50nm-200nm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池碲化钼阳极材料，其特征在于，所述导电材料为石墨烯、丙烯酸树脂、聚苯胺和聚噻吩中的至少一种。
4.一种锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法，其特征在于，步骤包括：将1T’型二碲化钼晶体与导电材料按照质量比为19:1-17:3混合球磨，制得碲化钼阳极材料。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法，其特征在于，还包括制备1T’型二碲化钼晶体的步骤：
1)将钼粉和碲粉按照1:2的摩尔比混合，在真空下于800-1000℃烧制72-168小时，得到二碲化钼多晶粉末；
2)在800-1000℃下，将所述二碲化钼多晶粉末和四氯化碲混合，烧制72-168小时，之后通过化学气相转移法再结晶，得到二碲化钼晶体；
3)将所述二碲化钼晶体在冷水中猝灭，得到1T’型二碲化钼晶体。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法，其特征在于，所述球磨中转速为300-600rpm，时间为12-48小时。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池碲化钼阳极材料制备方法，其特征在于，所述步骤2)中四氯化碲的质量浓度为2.5mg.ml-1-3.0mg.ml-1。
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