[發明專利]一種高性能鈉離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201711229001.3
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN108039490B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 周永寧;白碩
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M10/054
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電化學技術領域，具體為一種高性能鈉離子電池負極材料及其制備方法。本發明的鈉離子電池用負極材料為含有鈷和鉬兩種過渡金屬元素的二元硫化物CoMo₂S₄，其微觀結構是長度為1~5μm的棒狀顆粒。該材料采用水熱反應和高溫固相反應制得，以金屬鈉作為對電極和該種材料組裝的鈉離子電池，在0.1A/g的電流密度下，其可逆比容量約為390mAh/g，在0.5mA/g的大電流下，150圈后比容量仍能保持350mAh/g。該電極材料倍率性能優越，循環穩定性好，能在大電流密度下保持穩定的比容量，制備方法簡單，適用于功率型鈉離子電池。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及可用作鈉離子電池的負極活性材料及其制備方法。

背景技術

能源與環境是當今人類面臨的兩大主要問題，要實現可持續發展，追求綠色環保的生活方式，就必須尋求和開發新能源，而發展二次電池被認為是解決問題的方法之一。鋰離子電池體系由于放電電壓高、能量密度大、自放電低、循環壽命長、環境友好等優點，已經得到廣泛的應用。然而鋰的資源全球分布不均勻且儲量較少，因而鋰的價格昂貴且使用受到限制。鈉離子電池與鋰離子電池相比雖然能量密度略低，但鈉的資源豐富，分布廣泛，成本低廉，用鈉離子電池代替鋰離子電池在規模儲能等方面進行應用是緩解鋰礦資源短缺的有效手段。但是鈉離子電池面臨的研究難點在于鈉離子半徑更大，造成電化學反應過程中離子脫嵌更困難，電極材料結構更不穩定，使得鈉離子電池與鋰離子電池相比整體電化學表現更差。目前鈉離子電池負極材料的研究熱點之一是金屬硫化物，其可逆比容量可實現300~570 mAh/g。雖然硫化物材料的循環性能良好，但倍率性能較差。主要原因是其放電平臺電位太低，電流較大的情況下由于極化的發生，低電位平臺的容量無法釋放，導致容量衰減嚴重。

本發明提出使用水熱反應結合高溫固相反應制備的二元過渡金屬硫化物，具有較高比容量和良好的循環性能，是一種高性能的新型電極材料。

發明內容

本發明的目的在于提出一種性能良好的用于鈉離子電池的負極活性材料及其制備方法。

本發明提出的用于鈉離子電池的負極活性材料，是一種同時含有鈷和鉬兩種過渡金屬元素的二元硫化物，其微觀結構是長度為1 ~ 5 μm的棒狀顆粒。經研究表明，此類材料具有良好的電化學性能，可作為功率型鈉離子電池的負極材料。目前為止沒有關于這種同時含有鈷和鉬兩種過渡金屬元素的二元硫化物材料作為應用于鈉離子電池的報道。

本發明提出的作為鈉離子電池負極材料的硫化物新材料為粉末形態。

本發明提出的用于鈉離子電池的硫化物負極材料制備方法，具體步驟如下：

（1）以CoCl₆·6H₂O和Na₂MoO₄為原料，通過水熱反應獲得二元過渡金屬氧化物前驅體；

（2）在氬氣保護下將水熱產物置于管式爐中高溫熱處理，獲得二元過渡金屬氧化物；

（3）將獲得的過渡金屬氧化物按照一定質量比和單質硫混合均勻，在氬氫混合氣吹掃下置于管式爐中硫化，進行高溫固相反應，獲得對應的二元過渡金屬硫化物材料；

步驟（1）中，水熱反應的溫度為100~200℃，時間為3 ~6 h；

步驟（2）中，水熱產物高溫熱處理的溫度為300 ~500℃，處理時間為2 ~4 h；

步驟（3）中，高溫固相反應的溫度為700~900℃，反應時間為2 ~5 h。

本發明中，CoMo₂S₄的形貌由掃描電子顯微鏡獲得，為2μm左右的棒狀體。