[發明專利]一種鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910870920.1
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN112510197A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 楊濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發明涉及鈉離子電池技術領域，尤其涉及一種鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用。所述包括：將鋅源和錫源充分溶解后混合制成懸濁液，通過離心、水洗、醇洗后得到白色的立方塊狀ZnSn(OH)₆，將其和碳源分散在水中并加熱，然后攪拌至溶液呈黑色懸濁液，分離出其中的固體產物，將其洗滌后得到碳包覆立方塊狀ZnSn(OH)₆，然后將其與硫源分散在溶劑中，然后進行硫化處理，完成后分離出其中的固體產物，干燥即得。本發明針對當前鈉離子電池負極材料所存在的可逆容量較小、循環性能較差等問題，引入碳包覆的立方塊狀硫化鋅錫作為負極活性材料，制備二元金屬硫化物的體系，可以顯著提高鈉離子電池的比容量和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鈉離子電池技術領域，尤其涉及一種鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

本發明背景技術中公開的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

隨著化石能源的日趨消耗及其所引起的環境污染問題日益嚴重，清潔能源的開發受到了人們越來越多的關注。但是，風能、太陽能等新能源受時間和地域的限制無法持續穩定的供能。因此，開發高性能的儲能技術成為目前熱門的研究方向之一。鈉離子電池因其儲量豐富、價格低廉的特性受到研究人員的關注，有望可以取代商業化的鋰離子電池。受負極材料的影響，鈉離子電池尚不能滿足未來社會對于能量密度的高需求。金屬硫化物作為氧化還原機制類的負極材料有著較高的理論比容量和首圈庫倫效率，是新一代鈉離子電池理想的負極材料。但是在充放電過程中產生巨大的體積變化和較差的導電性也限制了金屬硫化物負極材料的發展。

發明內容

本發明的目的是解決當前鈉離子電池的負極材料所存在的可逆容量較小、循環性能較差等問題。為此，本發明提供一種鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用。本發明的鈉離子電池負極材料為碳包覆的立方塊狀硫化鋅錫，具有高比容量和高穩定性的特點。

為實現上述目的，本發明公開下述方案：

首先，公開一種鈉離子電池負極材料，其由立方塊狀的硫化鋅錫(ZnSnS₃)以及包覆在該硫化鋅錫表面的碳包覆層組成。

其次，公開一種鈉離子電池負極材料的制備方法，包括如下步驟：

S1.將鋅源和錫源充分溶解后混合，攪拌得到懸濁液，通過離心、水洗、醇洗后得到白色的立方塊狀ZnSn(OH)₆；

S2.將所述ZnSn(OH)₆和碳源分散在水中并加熱，然后攪拌至溶液呈黑色懸濁液后，分離出其中的固體產物，將其洗滌后得到碳包覆立方塊狀ZnSn(OH)₆；

S3.將所述碳包覆立方塊狀ZnSn(OH)₆和硫源分散在溶劑中，硫元素透過碳包覆層進行硫化，完成后分離出其中的固體產物，干燥后即得碳包覆的立方塊狀硫化鋅錫(ZnSnS₃)。

再次，本發明公開所述鈉離子電池負極材料及其制備方法在鈉離子電池、鋰離子電池/超級電容器/電催化等領域中的應用。

本發明負極材料的特點之一為：多元復合材料可以有效改善內部電荷傳輸，提高導電性，因此，本發明將ZnS和SnS結合制備兩種合金材料組成的新型復合材料，以實現制備高性能鈉離子電池負極材料的目標。

本發明負極材料的特點之二為：由于充放電過程中會發生大的體積波動，進而導致電極材料的粉化和集流體的剝落，最終造成快速的容量衰減和低的容量保持率。為此，本發明的負極材料為出立方塊狀，這種形態具有更穩定的結構，可以有效避免活性材料的聚集和坍塌，確保循環過程中結構的完整性。