碳/镍基复合材料制备及其在锂电池中的应用价值探讨

赵田帅 刘中宝 张继伟

摘要：近年来我国的电动汽车越来越多，各种类型的电子产品也广泛应用于居民家中，这种境况使得锂离子电池需求大幅增长。目前锂电池的负极是石墨材料，理论容量较低限制了锂电池更高的发展。镍基化合物理论容量较高且储量充足，比较适宜充当锂离子电池的负极材料，但其还有低导电率的固有属性，在充放电过程中体积也会发生变化。本文为缓解这两个问题，采用了碳基材料作为基体制备了纳米结构的碳/镍基复合材料。此材料的整体稳定性和导电性都有了较为显著的改善。

关键词：镍基化合物;碳复合材料;锂电池;负极材料

科技的发展和应用需要有能源的支撑，现在传统化学能源正在被新型清洁能源逐渐替代。各类清洁能源都需要被转化为电能才能为人类所用，这就要求更加优异的电能储存设备。在当下许多新型储能设备中，锂离子电池因为轻便、使用寿命长、储能密度高的优点被技术人员越发看重。并且应用到手机、电动汽车等诸多领域。

过高的需求量和科技发展的趋势，使得人们对锂离子电池的效率和整体性能要求变高。锂离子电池的整体性能受限于内部结构的许多部分，其中有重要影响的一部分就是电极材料。要想提高锂离子电池的性能和储电效率，就必须要找到更加高效、使用寿命更长、容量更高的电极材料。

过渡金属氧化物（TMOs）和过渡金属硫化物（TMOs）因其理论容量大、来源丰富、环保等优点被认为是电极电位材料。特别是NiS2由于其具有870 mAh G-1的高理论容量而引起了许多研究者的关注。但由于其固有的低电导率和充放电过程中体积变化严重，限制了其在锂离子电池中的应用。本文为解决这两项缺陷，使用碳基材料与NiS2复合，制备出NiS2/CNHs 复合材料，提升锂离子电池的整体性能和充电效率，并避免了上述的两种问题。

1.实验与制备

1.1 药品与仪器

本文所有实验所需要的药品如表1所示。

本文所需要的实验仪器包括如表2所示。

1.2材料表征

（1）X射线衍射分析：X射线衍射分析（XRD）是对材料进行物象与结构的分析手段，主要用来确定样品的物质组成和机体结构类型，使用Max 2500PC测试仪。电压40kv，电流250mA。

（2）扫描电子显微镜（SEM）：用来观察样品的微观形貌的仪器和方法。将样品置于乙醇中，滴至硅片上使用SEM观察。

（3）比表面积测试（BET）：这是测试材料的孔径分布和比表面积的方法。通过N2在样品中的吸附与脱离情况观察，以BET法可以得到样品的比表面积大小。使用仪器为ASAP2420测试仪。

（4）拉曼光谱分析（Raman）：基于拉曼散射效应，分析同入射光谱频率不同的散射光，以测得样品的分子结构。

1.3制备纯NiS2材料

以50ml水与20ml乙醇制成混合溶液，然后在其中添加六次甲基四胺（2.8g）以及六水合硝酸镍（2.9g）。将溶液搅拌至清水色后置于高压反应釜，之后在100℃烘箱中放置10小时，之后使其自然降低至室温，使用离心机取得溶液中的产物，清洗后烘干。

通过上述操作后得到固体粉末状样品，将其放在管式炉中，在氮气气氛下升温到600摄氏度并保持两小时，然后降低到350摄氏度，最后通入空气冷却至室温。取样品研磨成粉，并与升华硫混合，混合比例为2：9，在氮气气氛下升温至300攝氏度保持2小时，再升温至500摄氏度保温2小时。最后使其自然冷却，即可得到纯NiS2材料。

1.4制备NiS2/CNHs 复合材料

将先前Ni（OH）2/RF/SiO2样品盛放在容器中，在氮气气氛下升温至600摄氏度保持2小时，后通入空气自然冷却到室温。然后将样品混合于NaOH溶液中，升温至70℃，使用搅拌机搅拌48小时之后进入离心机进行分离样品，用乙醇及水溶液清洗后，放置于70摄氏度的烘干箱中12小时，得到NiO/CNHs。

然后将NiO/CNHs产物和升华硫研磨混合，比例为2：9。在氮气下升温至300℃保持2小时，在升温至500℃保持2小时。最后使样品自然冷却即可制成NiS2/CNHs 复合材料。

2.NiS2/CNHs的价值分析

为了研究NiS2/CNHs材料在锂离子电池中的应用价值，本文将材料装配到纽扣半电池中进行相关测试。首先是测试NiS2/CNHs的电极首圈充放电能力，如图1所示。

由图可以看到NiS2/CNHs的电极首圈充放电数值，充电容量为1189.2mAhg，放电容量为1714.5mAhg。对应的初始库伦效率是69.36%，在首圈循环中，很大一部分电能损失是为了形成SEI膜而消耗的。更多的电池容量得以在1.5V电压下释放，这有益于优化电池能量密度。

通过SEM观察多次充放电循环后的NiS2/CNHs电极，图像如图2所示。

通过观察NiS2/CNHs电极的SEM图像，我们可以看出：NiS2/CNHs复合材料电极的结构骨架仍然保存完好，这说明其具备较高的结构稳定性，能够承载更多次数的充放电循环，并承载更大的电流密度。这表示使用NiS2/CNHs复合材料的锂电池具备更长的使用寿命，相较于传统电极材料具备更高的循环稳定性还是倍率性能，因此有更高的经济价值和环保性。

3.结论

本文通过对NiS2/CNHs复合材料的结构研究，得出其在储锂性能方面如此优异的原因。

其原因主要是因为具备独特的三维开放式结构，具体可以归纳为以下两点：（1）NiS2纳米粒子在CNHs骨架上均匀分散，可以有效地减少NiS2粒子的团聚，并且在长期循环过程中也能缓冲NiS2粒子的体积膨胀;（2）NiS2纳米粒子与CNHs的紧密结合可以显著提高复合材料整体的电导率。

NiS2/CNHs电极作为锂离子电池负极，具备突出的充放电稳定性和倍率性能，值得在锂离子电池中实际应用。

参考文献

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[5]安富强，何冬林，庞铮，李平.具有微米纤维碳的硅/石墨/碳复合材料的制备及在锂离子电池中的应用[J].工程科学学报，2019，41（10）：1307-1314.

作者简介：

赵田帅（1989.10.10），男，河南省安阳市人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学，材料化学专业，本科生.

刘中宝（1999.10.17），男，贵州省铜仁市人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学，材料化学专业，本科生.

张继伟（2001.08.06），男，内蒙古自治区赤峰市人，内蒙古自治区包头市昆都仑区内蒙古科技大学，材料化学专业，本科生.

（内蒙古科技大学 内蒙古 包头 014010）