[發明專利]一種ZnS-SnS@3DC復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110345513.6
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113097464B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 楊林鈺;溫曦;李海兵;趙風軍;張敏;楊行;王淑英
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054;C01G19/00;C01G9/08;C01B32/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 趙進;顏勇

本發明公開了一種ZnS?SnS@3DC復合材料及其制備方法和應用，所述ZnS?SnS@3DC復合材料由具有異質結構的ZnS?SnS納米晶嵌入由金屬有機骨架ZIF?8碳化得到的氮摻雜的三維多孔碳骨架中復合而成，ZnS?SnS@3DC復合材料作為鋰離子電池或鈉離子電池的負極材料，ZnS?SnS異質結構納米晶嵌入氮摻雜的三維多孔碳，能夠更好地限制ZnS?SnS的體積膨脹，從而保證活性物質在脫嵌鋰或鈉的過程中的結構穩定性，進而提升其電化學性能。

技術領域

本發明屬于電池材料技術領域，涉及一種ZnS-SnS@3DC復合材料及其制備方法和應用，特別涉及一種由異質結構的ZnS-SnS和3DC(三維多孔碳)復合而成的ZnS-SnS@3DC復合材料、制備方法及其作為鋰離子電池和鈉離子電池負極材料的應用。

背景技術

在當代社會，環境問題日益加劇，可循環使用的儲能設備受到重視。在眾多的儲能設備中，鋰離子電池(LIBs)由于其高的能量密度，長的循環壽命而受到關注，并在科研人員的不斷努力下已經應用于生活中的方方面面，像電動汽車、隨身移動設備、甚至大型的儲能系統等。隨著科技日益發展，人們生活水平質量提高，高能量密度的電池需求也越來越高，除了繼續加強鋰離子電池的研究外，人們也在積極尋找其它種類的可循環電池。這種情況下，在地球上具有很高儲存量的鈉元素就受到了人們的關注，地球上鈉元素的儲存量位于所有元素的第四位，豐富的儲量使得鈉離子電池有廣闊的發展前景。在鋰離子電池發展的基礎上，人們對性質相近的鈉離子電池(NIBs)也展開了研究。但鈉離子半徑比鋰離子大得多，性質也不完全相同，雖然有著更合適的氧化還原電位，但反應動力學更為緩慢。鋰離子電池和鈉離子電池負極材料都有一定的局限性，為了使充放電比容量，循環壽命、及倍率性能更好，尋找更加合適的鋰和鈉離子電池負極材料都十分有必要。

近年來，金屬硫化物應用于電池中已經被證實具有較好的電化學性能。金屬錫及其化合物是一種很有前景的電極材料，它本身無毒、資源豐富、安全穩定且價格便宜，而且性能良好，具有高比容量。SnS，ZnS作為鋰電池和鈉電池負極材料理論容量分別為1136mA hg^-1和1022mA h g^-1,962mA h g^-1和981mA h g^-1。雖然它們具有較高的理論容量，但是在嵌入鋰或鈉離子的過程中都會出現體積膨脹的問題，導致活性物由集電極上脫落，電池循環穩定性變差。

發明內容

為了解決現有金屬硫化物在鋰離子電池或鈉離子電池應用中存在的問題，本發明的目的在于提供了一種ZnS-SnS@3DC復合材料及其制備方法和應用，ZnS-SnS異質結構納米晶嵌入氮摻雜的三維多孔碳，能夠更好地限制ZnS-SnS的體積膨脹，從而保證活性物質在脫嵌鋰或鈉的過程中的結構穩定性，進而提升其電化學性能。

為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種ZnS-SnS@3DC復合材料，由具有異質結構的ZnS-SnS納米晶嵌入由金屬有機骨架ZIF-8碳化得到的氮摻雜的三維多孔碳骨架中復合而成。

本發明的ZnS-SnS@3DC復合材料中，ZnS-SnS異質結構納米晶嵌入三維多孔碳，能夠更好地限制ZnS-SnS的體積膨脹，從而保證活性物質在脫嵌鋰或鈉的過程中的結構穩定性。

優選的，所述ZnS-SnS@3DC復合材料中，Sn和S的質量比為3.6：1，Sn和S的總質量占復合材料總質量的比為25～65％；進一步優選為40～60％。

本發明還提供了上述ZnS-SnS@3DC復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)保護性氣氛下，將金屬有機骨架ZIF-8進行碳化得到氮摻雜的三維多孔碳骨架；

(2)真空密閉環境下，將Sn粉、S粉和氮摻雜的三維多孔碳骨架的混合物進行煅燒得到ZnS-SnS@3DC復合材料。