CN109950516A - 一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法 - Google Patents

一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法 Download PDF

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萨百晟
陈建辉
孙媛
温翠莲
杨洪雷
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Abstract

本发明公开了一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其是将InTe/GaS块体混合物溶解后涂覆在铜箔上作为阴极，以锂箔片作为阳极，采用含LiPF6的混合溶液作为电解质，将三者组成电解池，经充分放电一段时间后，将阴极材料经清洗、超声剥离、离心分离获得层状物质，最后将获得的层状物质清洗干燥，即可得到层状的InTe/GaS异质结锂离子电极材料。本发明通过严格控制反应物比例以及反应条件，获得高纯度的InTe/GaS异质结材料，其制备工艺简单，且所得产物具有优异的储锂性能，有望应用于锂离子电池的制备，具有很好的产业化前景。

Description

一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法
技术领域
本发明属于电极材料制备领域，具体涉及一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，它主要是依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，放电时则相反。锂离子电池因其具有高的可逆容量、高的能量密度和良好的循环寿命而广泛应用。自从石墨烯在实验上可制备出之后，在过去的一段时间内，二维材料石墨烯由于低成本、高的能量稳定性、循环稳定性而可作为锂离子电池的极性材料，但石墨烯相对低的容量（372m·Ahg-1）以及弱的锂离子吸附能力限制了其更广泛的应用。其他的类石墨烯材料，如过渡金属硫化物、过渡金属碳化物同样也被广泛研究，其中一些不乏具有高的比容量、高效率而可作为锂离子电池的电极材料，如MoS2、WS2。实验证明，在碱金属吸附之后仍能够保持原有结构是锂离子电池作为能量储存长的循环寿命的有效保证。因此，为了提高锂离子电池电极的结构稳定性、机械柔韧性、电化学性能以及高容量，纳米技术在此方面做了很大的贡献。其中，通过构建二维材料异质结是一种有效改变并提高单层材料性能的方法，尽管已有大量研究表明以石墨烯、BN和MoS2为基的异质结可作为锂离子电池的电极材料，但仍然有很多其他的基体材料具有优良稳定性、高容量、柔韧性和导电性，而对于它们的研究少之又少。
二维的InTe、GaS同属于Ⅲ-Ⅵ族化合物，且其晶体结构同为六方晶体，他们的晶格参数分别为a=4.250和a=3.546 ，且都是间接带隙半导体，InTe的间接带隙值为2.36eV，GaS的间接带隙值为3.35eV，他们的块体材料是直接能隙并具有优异的光能转换效率而可作为光伏器件有效应用，而二维的InTe和GaS，其载流子迁移率高(103-104cm2·V-1s-1)、电化学性能活泼，从而可作为锂离子电池的电极材料。理论计算表明，InTe和GaS二维材料所构成的异质结属于第三种异质结，无带隙从而表现出金属性质，因此为使其在锂电电极方面的应用成为可能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种方法高效、制备过程简单且参数易于控制的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，旨在通过异质结的搭建，发挥不同种二维材料的特点，以提升材料的储锂性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）取直径大小6～25mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物（其中In、Te、Ga、S的摩尔比为1:1:1:1）和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制得质量浓度为90～99%的涂液，然后将5～10g所得涂液均匀涂敷于直径大小6～25mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将1～2mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.05～0.15mA的恒电流在室温下充分放电2～4小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用超声（功率密度≥0.3W/cm2）使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于1000～2000r/min离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质4～6次，并在清洗后于60～80℃干燥2～4小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1. 本发明阴极电极制备过程中使用乙炔黑、偏氟乙烯与InTe/GaS块体材料相互混合并溶于N-甲基吡咯烷酮中，能够有效保证在电化学反应过程中块体材料的稳定性。
2. 本发明通过将具有半导体性质的两种二维材料相互结合，利用电化学插层Li+的方法获得异质结薄膜，得到具有金属性质并可作为锂离子电极材料的异质结，该薄膜纯度高、质量较好，且制备流程简易，有望应用于锂离子电池的制备。
附图说明
图1为本发明电化学插层法制备InTe/GaS异质结的流程示意图。
图2为所得InTe/GaS异质结的XRD图。
图3为InTe/GaS块体混合物（a）与所得InTe/GaS异质结（b）的扫描电镜图。
图4为所得InTe/GaS异质结与石墨烯、BlueP/TaS2异质结的锂储量对比图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
所述InTe/GaS块体混合物是基于化学气相沉积法合成，其具体合成方法为：将Ga和S的单质按摩尔比1:1置于管式炉中，通入保护气体Ar气并加热至960℃，反应20h生成GaS块体；另将Te单质与In2O3按摩尔比2:1置于管式炉中，通入保护气体Ar气并加热至1390℃，反应20h生成InTe块体；再将所得GaS块体与InTe块体按摩尔比1:1混合，得到所述InTe/GaS块体混合物。
实施例1
（1）取直径大小6mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制备得到质量浓度为95%的涂液，然后将5g所得涂液均匀涂敷于直径大小6mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将1mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.05mA的恒电流在室温下充分放电2小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用功率密度为0.3W/cm2的超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于1000r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质4次，并在清洗后于60℃干燥2小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其锂储量为513mAhg-1。
实施例2
（1）取直径大小12mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制备得到质量浓度为90%的涂液，然后将8g所得涂液均匀涂敷于直径大小12mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将2mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.05mA的恒电流在室温下充分放电3小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用功率密度为0.3W/cm2的超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于1500r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质5次，并在清洗后于60℃干燥4小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其锂储量为524mAhg-1。
实施例3
（1）取直径大小25mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制备得到质量浓度为98%的涂液，然后将10g所得涂液均匀涂敷于直径大小25mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将1.5mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.1mA的恒电流在室温下充分放电3小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用功率密度为0.3W/cm2的超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于2000r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质6次，并在清洗后于70℃干燥3小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其锂储量为530mAhg-1。
实施例4
（1）取直径大小20mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制备得到质量浓度为96%的涂液，然后将6g所得涂液均匀涂敷于直径大小20mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将2mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.15mA的恒电流在室温下充分放电3小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用功率密度为0.3W/cm2的超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于1500r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质6次，并在清洗后于80℃干燥4小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其锂储量为536mAhg-1。
实施例5
（1）取直径大小20mm的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯按质量比70:15:15均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中，制备得到质量浓度为99%的涂液，然后将10g所得涂液均匀涂敷于直径大小20mm的铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将2mol/L的LiPF6溶液按体积比3:7溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液（碳酸乙酯:碳酸二甲酯=1:1，v/v）中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.15mA的恒电流在室温下充分放电4小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用体积浓度95%的丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用功率密度为0.3W/cm2的超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液放入离心机中，于2000r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质6次，并在清洗后于80℃干燥4小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料，其锂储量为545mAhg-1。
图4为所得InTe/GaS异质结与石墨烯（Graphene）、BlueP/TaS2异质结的锂储量对比图。由图中可见，本发明所得InTe/GaS异质结具有优异的储锂性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取一定大小的锂箔片作为阳极材料；
（2）将InTe/GaS块体混合物和乙炔黑、偏氟乙烯均匀分散在N-甲基吡咯烷酮中制得涂液，然后将所得涂液均匀涂敷于铜箔上，并以此作为阴极材料；
（3）将1～2mol/L的LiPF6溶液溶解于碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液中，并以此混合溶液作为电解质；
（4）将阳极材料、阴极材料与电解质组成电解池，以0.05～0.15mA的恒电流在室温下充分放电2～4小时，使Li+插入阴极材料层间；
（5）反应结束后，将含有Li+插层的阴极材料用丙酮溶液清洗除去残留的LiPF6；
（6）将清洗后的阴极材料置于密闭玻璃瓶中，利用超声使其剥落，直到生成含层状物质的悬浮液；
（7）将步骤（6）得到的悬浮液于1000～2000r/min进行离心分离；
（8）用蒸馏水清洗离心后获得的层状物质4～6次，并在清洗后于60～80℃干燥2～4小时，即得到所述InTe/GaS异质结锂离子电极材料。
2.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）、（2）中所用锂箔片、铜箔的直径大小均为6～25mm。
3.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中InTe/GaS块体混合物与乙炔黑、偏氟乙烯的质量比为70:15:15；
所述InTe/GaS块体混合物中In、Te、Ga、S的摩尔比为1:1:1:1。
4.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所得涂液的质量浓度为90～99%。
5.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中LiPF6溶液与碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液的体积比为3:7；
所述碳酸乙酯/碳酸二甲酯混合液中碳酸乙酯和碳酸二甲酯的体积比为1:1。
6.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所用丙酮的体积浓度达95%。
7.如权利要求书1所述的InTe/GaS异质结锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：步骤（6）中所述超声的功率密度≥0.3W/cm2。
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