本发明属于电池材料技术领域，涉及一种还原氧化石墨烯修饰三硫化二锑电池负极材料。
背景技术：
作为锂离子电池的替代品，由于钠资源丰富、成本低、效率高、化学性能稳定等优点，使得钠离子电池引起越来越多的关注。与锂离子电池相比，钠离子电池面临的主要挑战是寻求一个合适的能够有效地承载直径较大的钠离子电池负极材料。目前，世界上一些电池技术较为先进的国家已将钠离子电池技术列为一个重要的基础性和前瞻性研究领域，并作为未来重点关注的储能电池技术发展方向。积极探索比容量高、循环寿命长、安全性能好、温度适用范围宽的新型钠离子电池负极材料体系，已经成为国际上研发高性能钠离子二次电池电极材料的共性问题。本论文旨在探索和研究性能优异的储钠负极材料。
近年来钠离子负极材料主要研究内容包括锡基材料、氧化物、硫化物、磷化物和合金材料。其中Sb2S3作为负极材料具有很高的理论容量(946mAh/g)，因而受到广泛的关注，成为近年来研究的热点之一。但是Sb2S3在充电过程中会产生巨大的体积膨胀，导致严重的容量衰减，限制了它的实际应用。因此，急需对该类材料进行必要的改性，以综合提升其循环性能、倍率性能等。
中国专利201610910361.9公开了一种锂离子电池用负极材料及其制备方法，所述负极材料具有包含核层和壳层的核壳结构；所述核层为三氧化二锑，所述壳层为三硫化二锑，所述核层和所述壳层的质量比为(0.4-5)∶1，上述材料相比于一般负极材料而言具有较高的充放电效率和比容量等，但是其负极材料的稳定性相对较低。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种还原氧化石墨烯修饰三硫化二锑电池负极材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的之一在于提供一种还原氧化石墨烯修饰三硫化二锑电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)：取Sb2S3粉末加入到无水乙醇中，再分散于氧化石墨烯溶液中，搅拌至溶液均一稳定，得到前驱体溶液；
(2)：将步骤(1)所得前驱体溶液转入水热反应釜中，加热反应，再冷却至室温，得到悬浊液；
(3)：将步骤(2)所得悬浊液过滤、洗涤、干燥后，即得到目的产物。
步骤(1)中Sb2S3粉末可以采用常规商品，优选通过以下方法制备得到：
取三氯化锑、L-半胱氨酸、九水硫化钠溶于去离子水中，搅拌，加热反应，所得产物洗涤干燥后，即得到Sb2S3粉末。更优选的，三氯化锑、L-半胱氨酸、九水硫化钠的摩尔比为1:(1-3):(1-3)。此种范围内制备得到的Sb2S3纳米棒尺寸均匀。更优选的，加热反应的条件为：在150-220℃下加热反应8-25小时。在该温度和反应时间范围内，最终产物中杂质较少，物相对纯净，且更易洗涤。更优选的，反应所得Sb2S3产物用去离子、无水乙醇洗涤，洗涤的作用在于去除未充分反应的杂质，最后在低于100摄氏度干燥4～24小时。
在一种优选的实施方式中，步骤(1)中所述的氧化石墨烯溶液的配制方法为：取氧化石墨烯溶于溶剂中，超声，得到浓度0.1-2mg/ml的氧化石墨烯溶液。更优选的，溶剂采用去离子水、异丙醇、无水乙醇或乙二醇。更优选的，氧化石墨烯单层率超过90％。
在一种优选的实施方式中，步骤(1)中，Sb2S3粉末、无水乙醇和氧化石墨烯溶液的添加量比为(0.5-1)mmol：20ml：(5-15)mg。
在一种优选的实施方式中，步骤(2)中反应的条件为：在160～220℃下加热反应10～16小时。在该温度和反应时间范围内，最终产物中杂质较少，产物相对纯净，且更易洗涤。
在本发明所限定范围内，Sb2S3粉末、氧化石墨烯等原料的添加量可以充分分散于溶剂中，在该反应的温度和时间下，还原氧化石墨烯生成并修饰于Sb2S3纳米棒上，温度过高或反应时间过长会导致还原氧化石墨烯修饰Sb2S3纳米棒复合材料发生团聚，温度过低或者时间过短，不利于氧化石墨烯的还原以及还原氧化石墨烯修饰Sb2S3纳米棒复合材料复合材料的形成。
本发明的目的之二在于提供一种还原氧化石墨烯修饰三硫化二锑电池负极材料，其采用上述目的一中任一实施方式的制备方法制备得到。
本发明的目的之三在于提供一种钠离子电池负极片，其采用上述目的二的电池负极材料与粘结剂、导电剂混合均匀，再均匀涂覆在铜箔上，干燥、辊压，即得到。
在一种优选的实施方式中，所述的粘结剂为羧甲基纤维素钠。
在一种优选的实施方式中，所述的导电剂为导电碳Super-P或导电炭黑。
在一种优选的实施方式中，电池负极材料、粘结剂和导电剂的重量比为(70～80):(20～10):10。
在一种优选的实施方式中，铜箔上涂覆的厚度为100-180微米；辊压后，铜箔上涂覆材料的厚度为75-150微米。在这些厚度范围内，所制备的单个极片载重适中，便于电解液的浸透，且不易脱落。
在一种优选的实施方式中，干燥的条件为：50～120摄氏度下真空干燥5～24小时。在该温度下进行干燥，不但能够较好的干燥完全，而且不会对涂覆的材料产生影响。
本发明制备的活性物质有很好的储钠性能。羧甲基纤维素钠属于水基粘结剂，其电阻较小，不仅在电解质中性能稳定、不膨胀、不松散、不脱粉，具有较强的粘结力、柔韧性和亲水性，还与活性物质的结合性能好。光靠活性物质本身的导电性是远远不够的，为了保证电极有良好的充放电性能，在极片制作时通常加入一定量的导电剂，在活性物质之间与集流体起到收集微电流的作用。导电碳Super-P和导电炭黑具有更好的离子和电子导电能力，因为导电碳Super-P和导电炭黑具有更大的比表面积，所以有利于电解质的吸附而提高离子电导率。另外，炭一次颗粒团聚形成支链结构，能够与活性材料形成链式导电结构，有助于提高材料的电子导电率。
与现有技术相比，本发明通过溶剂热合成还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料，有效地改善了充放电时的体积膨胀效应和团聚效应，增强了材料的循环性能，通过引入还原氧化石墨烯，增强了锑基材料的导电性以及稳定性，且在制备过程中工艺绿色环保。本发明制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料，首次充放电效率高，比容量高，倍率性能和循环性能好，解决了锑基材料在实际制备钠离子电池负极应用时存在的不可逆容量损失大和循环性能差的问题。
附图说明
图1为钠离子电池负极材料做成钠离子电池的粉末X射线衍射测试图；
图2为钠离子电池负极材料做成钠离子电池的拉曼图；
图3为钠离子电池负极材料的扫描电子显微镜照片；
图4为钠离子电池负极材料做成钠离子电池的循环性能图；
图5为钠离子电池负极材料做成钠离子电池的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-1
一种还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先取1毫摩尔三氯化锑、2毫摩尔L-半胱氨酸、2毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，在160摄氏度的条件下加热反应12小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时，即制得Sb2S3粉末。
再取1毫摩尔上述制得的Sb2S3粉末加入到20毫升无水乙醇中，然后再加入10毫升氧化石墨烯溶液(5毫克氧化石墨烯溶于10毫升去离子水，在功率为200瓦条件下，超声清洗1小时配制得到)，磁力搅拌1小时，得到前驱体溶液；
步骤二、然后将上述前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在180摄氏度的条件下加热反应12小时。冷却至室温，得到悬浊液；
步骤三、过滤步骤二中悬浊液得到沉淀物，沉淀物依次经过去离子水、无水乙醇洗涤三次；在60摄氏度的环境中真空干燥12小时。得到还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料。
实施例1-2
一种钠离子电池负极片的制备方法，具体的，将0.08克的上述实施例1-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料与0.01克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂Super-P均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为150微米)，并经真空110摄氏度干燥12小时、辊压(辊压的厚度为130微米)，制备成钠离子电池负极片。
将本实施例制得的钠离子电池负极片、金属钠片、电解液组装成钠离子电池，用于进行恒流充放电测试，所使用的电解液为含有1.0M NaClO4的EC/DEC/FEC(1:1:2Vol％)。
实施例2-1
一种还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先取1毫摩尔三氯化锑、2毫摩尔L-半胱氨酸、2毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，在180摄氏度的条件下加热反应12小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时，制得Sb2S3粉末。
将上述制得的0.5毫摩尔Sb2S3粉末加入到20毫升无水乙醇中，然后再加入10毫升氧化石墨烯溶液(10毫克氧化石墨烯溶于10毫升去离子水，在功率为200瓦条件下，超声清洗2小时)，磁力搅拌1小时，得到前驱体溶液；
步骤二、接着，将前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在180摄氏度的条件下加热反应14小时。冷却至室温，得到悬浊液；
步骤三、过滤步骤二中悬浊液得到沉淀物，沉淀物依次经过去离子水、无水乙醇洗涤三次；在60摄氏度的环境中真空干燥12小时。得到还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料。
实施例2-2
一种钠离子电池负极片的制备方法，具体的，将0.08克的实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与0.01克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂Super-P均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为150微米)，并经真空110摄氏度干燥12小时、辊压(辊压的厚度为130微米)，制备成钠离子电池负极片。将本实施例制得的钠离子电池负极片、金属钠片、电解液组装成钠离子电池，用于进行恒流充放电测试，所使用的电解液为含有1.0M NaClO4的EC/DEC/FEC(1:1:2Vol％)。
实施例3-1
一种还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先取1毫摩尔三氯化锑、2毫摩尔L-半胱氨酸、2毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，在160摄氏度的条件下加热反应12小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时，制得Sb2S3粉末。
将上述制得的0.5毫摩尔Sb2S3粉末加入到20毫升无水乙醇中，然后再加入10毫升氧化石墨烯溶液(15毫克氧化石墨烯溶于10毫升去离子水，在功率为200瓦条件下，超声清洗2小时)，磁力搅拌1小时，得到前驱体溶液；
步骤二、然后将前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在160摄氏度的条件下加热反应12小时，冷却至室温，得到悬浊液；
步骤三、过滤步骤二中悬浊液得到沉淀物，沉淀物依次经过去离子水、无水乙醇洗涤三次；在60摄氏度的环境中真空干燥12小时。得到还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料。
实施例3-2
一种钠离子电池负极片的制备方法，具体的，将0.08克的本实施例3-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与0.01克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂Super-P均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为150微米)，并经真空110摄氏度干燥12小时、辊压(辊压的厚度为130微米)，制备成钠离子电池负极片。将本实施例制得的钠离子电池负极片、金属钠片、电解液组装成钠离子电池，用于进行恒流充放电测试，所使用的电解液为含有1.0M NaClO4的EC/DEC/FEC(1:1:2Vol％)。
需要说明的是，本发明所述的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料的制备方中，上述三个实施例的参数均选用较优的参数值，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域技术人员根据本发明内容选用较佳的其他参数亦在本发明的保护范围内。
对比例1
对比例中，直接以制备出的Sb2S3作为钠离子电池负极材料，其具体制备方法为：取1毫摩尔三氯化锑、2毫摩尔L-半胱氨酸、2毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，然后转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在180摄氏度的条件下加热反应12小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时。
本对比例还提供了一种钠离子电池负极片的制备方法。具体的，取0.08g上述制备的Sb2S3钠离子电池负极材料与0.01克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂Super-P均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为150微米)，并经真空110摄氏度干燥10小时、辊压(辊压的厚度为130微米)制备成钠离子电池负极片。将本实施例制得的钠离子电池负极片、金属钠片、电解液组装成钠离子电池，用于进行恒流充放电测试，所使用的电解液为含有1.0MNaClO4EC/DEC/FEC(1:1:2Vol％)。
效果测试对比
采用D2-Phaser X射线衍射仪进行物相分析得到XRD图，辐射源Cu靶Kα射线，λ＝0.15406nm，测试过程中的管压为40kV，管流为40mA，扫描速率为5°/min；采用LabRAMAramis拉曼光检测仪分析得到拉曼图；采用JEOL JSM-6700F扫描电子显微镜观测形貌得到SEM图；采用深圳新威尔Neware CT-3008电池测试系统进行恒流充放电测试得到恒流充放电性能图、倍率性能图。
图1为实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与对比例1制备得到的Sb2S3钠离子电池负极材料的XRD图，从图1中可以看出，衍射峰对应标准卡片JCPDS No.42-1393，为Sb2S3的相，结晶度高，无杂相，无法证实是否存在还原氧化石墨烯。
图2为实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与对比例1制备得到的Sb2S3钠离子电池负极材料的拉曼图，从图2中可以看出，还原氧化石墨烯被引入，从而证实了还原氧化石墨烯在实施例2-1复合材料中的存在。
图3为实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料的SEM图，从图2可以看出，实施例2-1所制备的为棒状的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料。
图4为实施例2-2制得的钠离子电池负极片与对比实施例1制备得到的钠离子电池负极片的循环性能图，从图4中可以看出，在100mA/g的电流密度下进行恒流充放电测试，电位窗口为0.01～2V，还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极片首次放电比容量高达1279mA h/g，循环至第50周，放电比容量仍维持在655mA h/g。而Sb2S3负极片首次放电920mA h/g，第2周即衰减至483mA h/g，循环性能差。可见，与对比例1制备得到的Sb2S3钠离子电池负极材料比较，说明实施例2-2制备得到的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极片具有良好的循环性能。
图5为实施例2-2制备得到的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极片与对比例1制备得到的Sb2S3钠离子电池负极片的倍率性能图，从图5中可以看出，在大电流2000mA/g下，实施例2-2制备得到的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极片放电比容量仍有340mA h/g，表明该还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料具有良好的倍率性能。
从上述效果分析对比可知，相对于现有技术中的Sb2S3电池负极材料，本发明的制备方法通过溶剂热法合成还原氧化石墨烯修饰Sb2S3，有效地改善了充放电循环时的体积膨胀效应与团聚效应，增强了材料的循环性能，通过引入还原氧化石墨烯，增强了锑基材料的导电性以及稳定性，且在制备过程中工艺绿色环保。本发明制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料首次充放电效率高、比容量高、倍率性能和循环性能好，解决了锑基材料在实际制备钠离子电池负极的应用时存在的不可逆容量损失大和导电性能与循环性能差的问题。
实施例4
一种还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先取1毫摩尔三氯化锑、3毫摩尔L-半胱氨酸、3毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，在150摄氏度的条件下加热反应25小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时，制得Sb2S3粉末。
将上述制得的0.8毫摩尔Sb2S3粉末加入到20毫升无水乙醇中，然后再加入10毫升氧化石墨烯溶液(10毫克氧化石墨烯溶于10毫升去离子水，在功率为200瓦条件下，超声清洗2小时)，磁力搅拌1小时，得到前驱体溶液；
步骤二、接着，将前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在160摄氏度的条件下加热反应16小时。冷却至室温，得到悬浊液；
步骤三、过滤步骤二中悬浊液得到沉淀物，沉淀物依次经过去离子水、无水乙醇洗涤三次；在60摄氏度的环境中真空干燥12小时。得到还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料。
实施例5
一种还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先取1毫摩尔三氯化锑、1毫摩尔L-半胱氨酸、1毫摩尔九水硫化钠溶于30毫升去离子水，搅拌2小时，在220摄氏度的条件下加热反应8小时。然后用去离子、无水乙醇洗涤，最后在60摄氏度干燥12小时，制得Sb2S3粉末。
将上述制得的0.5毫摩尔Sb2S3粉末加入到20毫升无水乙醇中，然后再加入10毫升氧化石墨烯溶液(10毫克氧化石墨烯溶于10毫升去离子水，在功率为200瓦条件下，超声清洗2小时)，磁力搅拌1小时，得到前驱体溶液；
步骤二、接着，将前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在220摄氏度的条件下加热反应10小时。冷却至室温，得到悬浊液；
步骤三、过滤步骤二中悬浊液得到沉淀物，沉淀物依次经过去离子水、无水乙醇洗涤三次；在60摄氏度的环境中真空干燥12小时。得到还原氧化石墨烯修饰Sb2S3电池负极材料。
实施例6
一种钠离子电池负极片的制备方法，具体的，将0.07克的实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与0.02克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂炭黑均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为100微米)，并经真空120摄氏度干燥5小时、辊压(辊压的厚度为75微米)，制备成钠离子电池负极片。
实施例7
一种钠离子电池负极片的制备方法，具体的，将0.075克的实施例2-1制得的还原氧化石墨烯修饰Sb2S3钠离子电池负极材料与0.015克的粘结剂羧甲基纤维素钠、0.01克的导电剂Super-P均匀混合，使用水作为溶剂，调成浆料，涂覆在铜箔上(涂覆的厚度为180微米)，并经真空110摄氏度干燥12小时、辊压(辊压的厚度为150微米)，制备成钠离子电池负极片。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。