[發明專利]一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910317689.3
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN110048106B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 黃劍鋒;席喬;李嘉胤;曹麗云;黨歡;王璐;郭鵬輝;王海
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/054;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強宏超

本發明公開一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料及其制備方法和應用，以氮硫共摻雜的石墨烯為基體，利用金屬催化生成碳納米管的方法在石墨烯上原位生長碳納米管，管中包裹鈷顆粒，之后對鈷顆粒再進行硫化處理，生成一種硫化鈷與多級碳結構復合的材料。該包覆結構設計巧妙的解決過渡金屬硫化物作為鈉離子電池負極材料容量衰減的問題，有效抑制了過渡金屬硫化物顆粒的團聚效應，并且碳納米管包覆結構有助于緩解過渡金屬硫化物顆粒的粉化效應，制備過程安全易操作；制備的硫化鈷與多級碳納米結構復合材料可應用于鋰離子電池和鈉離子電池電極材料。

技術領域

本發明屬于納米能源材料領域，涉及一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

過渡金屬硫化物(MSs)由于其高理論容量，低成本和良好的電子傳導性而被認為是作為鈉離子電池(SIB)的陽極材料的最有潛力的候選物之一。然而，在重復的嵌鈉和脫鈉過程中因體積膨脹而引起的MSs的粉化效應以及反應中間硫化物在電解液中的溶解都會導致MSs的循環容量急劇下降。因此，提高MSs在鋰離子電池、鈉離子電池中循環穩定性的研究一直是研究者們關注的問題。

MSs與碳材料復合被認為是克服上述問題最有效的方法。一方面，高導電性的碳材料可作為MSs的基體，達到有效分散MSs納米顆粒的作用；另一方面，在碳材料包覆的MSs電極中，碳材料會作為屏障阻礙電解液與MSs的直接接觸，從而抑制反應中間硫化物的溶解在電解液里來提高電極材料的利用率，進一步反應在較穩定的循環容量上。更重要的是，異原子(如N，S，B等)摻雜的碳材料，因為引入摻雜原子會產生局部高反應活性區域并改善導電性，從而得到更高的鈉儲存性能。建立碳材料的三維(3D)結構也是一個很好的選擇，可以更好的適應MSs的體積膨脹。然而，發明一種簡單溫和的方法來原位構筑三維結構并有效分散過渡金屬硫化物的制備方法仍然是一個巨大的挑戰。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明目的是提供一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料及其制備方法和應用，采用原位生長的碳納米管中包覆過渡金屬硫化物的方法，解決過渡金屬硫化物作為鈉離子電池負極材料容量衰減的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將氧化石墨烯、三聚氰氨、三聚硫氰酸以及鈷鹽分散于適量的去離子水中，攪拌反應充分，然后冷凍干燥樣品；

所述氧化石墨烯分散到去離子水中的濃度為0.5-4mg/ml；所述氧化石墨烯、三聚氰氨、三聚硫氰酸以及鈷鹽的質量比為1：(1.2～25):(1.7～9)：(1～22)；

2)熱處理樣品：將干燥的樣品置于惰性氣體保護的管式爐中煅燒；

所述熱處理過程采用2～20℃/min的升溫速率升溫到600～1000℃，保溫1～5h；

3)硫化處理，將步驟2)中熱處理完成的物質與硫粉按質量比為1：(1～5)混合，然后在惰性氣體保護的管式爐中進行硫化處理；硫化過程中以5～30℃/min升溫到500～800℃，保溫1～3h；硫化處理完成后在惰性氣體保護氣氛下待樣品自然冷卻后取出，即得到硫化鈷與多級碳納米結構復合材料。

進一步，所述步驟1)鈷鹽為乙酸鈷、硝酸鈷、硫酸鈷和氯化鈷中的一種。

進一步，所述步驟1)攪拌溫度為60℃～120℃，攪拌時間為1～10h。

進一步，所述步驟2)中熱處理過程保護氣體流速為0～300sccm。

進一步，所述步驟3)中的硫化處理時保護氣體流速為0～200sccm。

一種硫化鈷與多級碳納米結構復合材料作為鋰電池負極活性材料或鈉電池負極活性材料的應用。

發明的有益效果體現在：