[發明專利]一種金屬硫化物@石墨層電極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210006652.0
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN114335519A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 田忠良;李錚;程皓;郭春;汪滔;賴延清;鄧朝勇
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;林毓俊

本發明公開了一種金屬硫化物@石墨層電極材料及其制備方法，其由納米金屬硫化物顆粒和石墨層片組成，其化學通式為MS_x@C，1≤X≤3；其中：納米金屬硫化物顆粒粘附于石墨層片上以及石墨層片的夾縫中，納米金屬硫化物顆粒與石墨層片的質量比為(10～80):(20～90)。本發明采用在空氣中，相比于現行的水熱法、溶劑熱法和刻蝕法等方法，材料制備過程簡單易操作，產品質量穩定，工藝重復性能好，適合于大規模工業化生產；本發明所提出的方法通過調控金屬硫化物和石墨的分布，構建了有規律的二維致密層狀結構，插入的金屬硫化物可以誘導強烈的電荷轉移化學摻雜效果，并增加石墨層間適中的層間距離，加速循環過程中離子的遷移速度，有效提高了電極材料的綜合性能。

技術領域

本發明屬于堿金屬離子電池技術領域，具體涉及一種金屬硫化物@石墨層電極材料及其制備方法。

背景技術

堿金屬離子電池是目前使用最廣泛的儲能器件，也是儲能領域最受關注的研究點。在現有的電池系統中，電極材料作為電池的關鍵元素，對電池的整體性能和實際應用價值起著決定性作用。對于目前的堿金屬離子電極材料，碳基材料，過渡金屬氧化物@硫化物，金屬基化合物和有機化合物已經得到深入的研究。為了不斷提升堿金屬離子電池的綜合性能，同時降低生產成本，推進其在實際中的應用，開發高性能、高振實電極材料是關鍵。

金屬硫化物具有較高的理論容量，但作為電極材料主要存在以下不足：導電性差且循環過程中有著較大的體積膨脹，容易造成電極粉碎，且電子/離子在電極材料中擴散緩慢，極大限制了循環和倍率性能。目前研究熱點是利用納米技術、復合化技術以及對材料結構進行改性等方法來解決材料的體積膨脹和電導率低等問題。材料的納米化在一定程度上能有效緩解金屬硫化物材料的體積變化，復合化可以提高材料的導電性，增強電極的倍率性能，但其條件苛刻，成本較大，限制了大規模生產的可能性。因此研究更簡單有效的方法來合成高振實金屬硫化物/石墨結構電極材料具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備方法簡單、電化學性能好的金屬硫化物@石墨層電極材料及其制備方法。

本發明這種金屬硫化物@石墨層電極材料，由納米金屬硫化物顆粒和石墨層片組成，其化學通式為MS_x@C，1≤X≤3；其中：納米金屬硫化物顆粒粘附于石墨層片上以及石墨層片的夾縫中，納米金屬硫化物顆粒與石墨層片的質量比為(10～80):(20～90)。

所述的納米金屬硫化物顆粒的離子電導率為(5.1～15)×10⁴S/m，金屬硫化物@石墨層電極材料的振實密度為0.95～2g/cm³。

本發明這種金屬硫化物@石墨層電極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將石墨材料A和金屬鹽B分別進行干燥，干燥后的石墨材料A和金屬鹽B按照設定的比例進行混合，混合均勻后，在氧含量低于500ppm的條件下，進行熱處理，得到產物C；

2)將步驟1)中的產物C先在酸性溶液下進行清洗，接著用離子水和乙醇混合溶液進行清洗，然后進行干燥，得到前驅體D；

3)將步驟2)中的前驅體D進行氧化處理，氧化處理完畢后，用酸性溶液進行清洗，清洗完畢后，干燥，得到金屬氧化物@石墨層；

4)將步驟3)中的金屬氧化物@石墨層與硫源混合均勻，在惰性氣氛下在管式爐中進行煅燒，得到金屬硫化物@石墨層電極材料。