[發(fā)明專(zhuān)利]一種生物質(zhì)碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910934674.1
• 申請(qǐng)日: 2019-09-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110492090B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周小中;王武強(qiáng);費(fèi)莎莎;田繼斌;劉強(qiáng);丁娟霞;祁趙一;魯鴻凱;張正風(fēng);劉俊才
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/36
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 蘭州智和專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 62201
• 代理人: 張英荷

本發(fā)明公開(kāi)了一種生物質(zhì)碳包覆硫化鈷?八硫化九鈷復(fù)合材料的制備方法，是以生物質(zhì)阿拉伯樹(shù)膠為碳源，以金屬鈷鹽和硫代乙酰胺為原料，通過(guò)水熱反應(yīng)制得前體，再在惰性氣氛保護(hù)下熱解得到碳包覆硫化鈷?八硫化九鈷。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明制備的碳包覆硫化鈷?八硫化九鈷復(fù)合材料用于鋰/鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)具有較高的比容量和優(yōu)異的循環(huán)性能，其作為鋰/鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料的制備，其主要用于鋰/鈉離子電池負(fù)極材料，并為開(kāi)發(fā)高比容量電池材料提供經(jīng)驗(yàn)。

背景技術(shù)

鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域由于其高能量密度和長(zhǎng)的循環(huán)壽命。在作為鋰離子電池各種負(fù)極材料中，金屬硫化物被認(rèn)為是有前途的材料，因?yàn)樗鼈兊睦碚摳呷萘刻貏e是鈷硫化物（CoS （589 mAh g^-1），CoS₂（871 mAh g^-1），Co₃S₄（702 mAh g^-1），Co₉S₈ （545 mAh g^-1））等引起了人們的極大關(guān)注。但是這些材料在實(shí)際應(yīng)用中都存在很多的問(wèn)題，首先容量衰退仍然是硫化物基負(fù)極材料一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。要想能得到商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料就需要解決上述問(wèn)題，所以很有必要研究這些材料。當(dāng)前，解決鋰離子電池負(fù)極材料面臨的問(wèn)題才是重點(diǎn)。最近，金屬硫化物由于理論比容量相對(duì)于石墨的372 mAh g^-1高，所以受到研究者的追捧。很多的金屬硫化物，比如各種化學(xué)計(jì)量的鈷硫化物如CoS，CoS₂，Co₉S₈和Co₃S₄是有望成為替代石墨的候選者因?yàn)樗鼈兝碚摫热萘扛摺岱€(wěn)定性好。然而，由于在循環(huán)過(guò)程中的嵌鋰和脫鋰導(dǎo)致其材料體積變化嚴(yán)重所以導(dǎo)致其循環(huán)性能也差，材料體積的變化會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)的粉化并極大地限制它們?cè)趯?shí)際中的應(yīng)用。從而開(kāi)發(fā)高性能鋰離子電池鈷基負(fù)極相當(dāng)重要。

鈉離子電池是一種很有前途的電池技術(shù)由于其價(jià)格低廉，鈉存儲(chǔ)豐富。然而，鈉離子緩慢的動(dòng)力學(xué)使它很難實(shí)現(xiàn)高倍率性能，因此削弱了功率密度。因此，開(kāi)發(fā)高性能鈉離子電池負(fù)極材料就很有意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的提供一種碳原料低廉、工藝簡(jiǎn)單、有利于大規(guī)模生產(chǎn)的碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷（CoS-Co₉S₈@C）復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的另一目的是對(duì)上述制備的碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料作為鋰/鈉離子電池負(fù)極材料的性能進(jìn)行深入的研究。

一、碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料的制備

本發(fā)明制備碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料的方法，是以生物質(zhì)阿拉伯樹(shù)膠為碳源，以金屬鈷鹽和硫代乙酰胺為原料，通過(guò)水熱反應(yīng)制得前體，再在惰性氣氛保護(hù)下熱解得到碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷。其具體制備工藝如下：

將金屬鈷鹽和硫代乙酰胺分散到蒸餾水中，再加入阿拉伯樹(shù)膠，劇烈攪拌至溶液為澄清狀態(tài)時(shí)，于160~200℃下反應(yīng)6~24 h；反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，產(chǎn)物依次用水和乙醇洗滌，干燥，得復(fù)合材料前體；然后復(fù)合材料前體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，冷卻至室溫即得碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料，標(biāo)記為CoS-Co₉S₈@C。

所述金屬鈷鹽為氯化鈷、硫酸鈷、乙酸鈷、硝酸鈷等；金屬鈷鹽與硫代乙酰胺以鈷和硫摩爾比為1:5~1:10進(jìn)行投料。

阿拉伯樹(shù)膠作為生物質(zhì)碳源，其加入量為金屬鈷鹽和硫代乙酰胺質(zhì)量的10~80%。

所述熱處理至在500~900℃處理2~8 h。

二、碳包覆硫化鈷-八硫化九鈷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能