[發明專利]碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110033317.5
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112768656A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 王丁;李雪豹;夏廣輝;張英杰;段建國;何晶晶;黃杰盟;劉露之
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 重慶西南華渝專利代理有限公司 50270
• 代理人: 熊禮

本發明提供了一種碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料及其制備方法和應用。制備方法包括將聚乙烯吡咯烷酮、過渡金屬鹽溶液與硫源混合后加熱至反應結束，得到含過渡金屬硫化物溶液；將含過渡金屬硫化物溶液與碳源均勻混合后反應，得到焦炭包覆的過渡金屬硫化物；對焦炭包覆的過渡金屬硫化物離心后清洗，干燥，得到固體過渡金屬硫化物粉末；將固體過渡金屬硫化物粉末在惰性氣氛下煅燒，得到碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料。負極材料由若干納米級一次顆粒堆積而成，一次顆粒由內層的過渡金屬硫化物以及包覆在過渡金屬硫化物表面的無定型碳包覆層組成，若干一次顆粒之間形成介孔結構。本發明的材料具有高的結構穩定性，制備方法簡單。

技術領域

本發明涉及電池材料技術領域，具體涉及一種碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子和鈉離子電池等儲能器件有著無污染、比能量高、工作電壓高、循環壽命長和無記憶效應等優異特點，已被廣泛應用于便攜式設備和移動電源等各個能源領域。目前，商業化廣泛使用的鋰離子和鈉離子電池的負極材料主要有石墨和鈦酸鋰等，但傳統的負極材料理論比容量都比較低，不能滿足高容量、大功率、長壽命的二次電池的發展需求。

基于現有電池負極材料存在的缺陷，研發人員試圖嘗試研發一種新的負極材料。過渡金屬硫化物由于具有利于鋰離子、鈉離子的脫嵌，硫化物基負極材料比容量較高的優點而受到研發人員的廣泛關注。例如，專利文獻CN108075128A公開了一種氮摻雜碳包覆鈷鎳硫化物/石墨烯復合電極材料，通過一步碳化和硫化過程，將有機配體碳化形成碳，硫化中將氮元素摻雜到有機配體形成的碳中，提升電極材料導電性和缺陷，從而提高電化學性能。但由于鈷鎳硫化物顆粒負載在石墨烯基底上，顆粒與顆粒之間的相對位置固定，作為電極材料在使用過程中并不能有效緩解過渡金屬硫化物的體積膨脹，將導致電池使用后期其放電比容量和倍率性能明顯變差。再例如，專利文獻CN112018344A公開了一種碳包覆硫化鎳電極材料，其材料通過在二硫化鎳表面形成一層無定型碳包覆層進而可以緩沖材料在鈉離子脫嵌過程中引起的材料體積變化，但在二硫化鎳表面包覆的碳層由于其自身的厚度以及碳層的拉伸性，也僅能在一定程度上緩沖材料使用過程中發生的體積急劇變化，不能完全確保材料使用過程中的結構及電化學穩定性。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的目的之一在于解決上述現有技術中存在的一個或多個問題。例如，本發明的目的之一在于解決由于過渡金屬硫化物體積膨脹造成放電比容量和倍率性能變差的技術問題，提供一種具有介孔結構以及無定型碳包覆層相互協同以確保其具有高的結構及電化學穩定性的碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料。

本發明的一方面提供了一種碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料制備方法，可以包括以下步驟：將聚乙烯吡咯烷酮、過渡金屬鹽溶液與硫源混合后加熱至反應結束，得到含過渡金屬硫化物溶液；將含過渡金屬硫化物溶液與碳源均勻混合后加熱至反應結束，得到焦炭包覆的過渡金屬硫化物；對焦炭包覆的過渡金屬硫化物離心后清洗，干燥，得到固體過渡金屬硫化物粉末；將固體過渡金屬硫化物粉末在惰性氣氛下煅燒，得到碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料。

本發明的另一方面提供了一種如上所述的碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料制備方法制備得到的碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料，可以由若干納米級一次顆粒堆積而成，一次顆粒由內層的過渡金屬硫化物以及包覆在過渡金屬硫化物表面的無定型碳包覆層組成，若干一次顆粒之間形成介孔結構。

本發明的再一方面提供了上述碳包覆介孔過渡金屬硫化物負極材料在鋰離子電池、鈉離子電池和鋰硫電池中的應用。