[发明专利]用于锂离子电池负极的三维多孔碳包覆硒化锌材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料、能源技术领域，具体为一种用于锂离子电池负极的三维多孔碳包覆硒化锌材料及其制备方法。具体是将锌基沸石咪唑酯金属有机骨架材料（ZIF‑8）作为前驱体或模板，在惰性气氛保护条件下与硒粉在高温下烧结一定时间，通过同步进行的硒化和碳化过程，最终制备出碳包覆的硒化锌复合材料。本发明制备的复合材料方法实现了硒化锌与石墨碳的有效复合，各组成成分间形成了强界面耦合效应，且能有效缓解和抑制硒化锌材料在充放电过程中的体积膨胀效应，提高材料的导电性，因此该复合材料用作锂离子电池负极材料时，兼具非常高的比容量和优良的循环稳定性和倍率性能。本发明的制备工艺简单，制备条件适中，成本低廉。

技术领域

本发明属于材料、能源技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池负极的三维多孔碳包覆硒化锌材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，对能源的需求也日益增加，人们目前已经发现了多种可利用的清洁能源，而发展能源转化和存储技术也十分重要。可移动循环充放电电池是目前最广泛的储能方式。锂离子电池以其能量密度高、循环寿命长以及对环境友好等方面的优势，被广泛应用于各种便携式电子设备。随着需求的增加，人们对锂离子电池的性能要求越来越高，如何提高电池容量、延长循环寿命、改善倍率性能是研究锂离子电池的主要目标。锂离子电池主要包括电池壳、负极材料、正极材料、隔膜和电解液，其性能的提高主要取决于正、负极材料性能的提高。

目前商业化生产的锂离子电池的负极主要是石墨材料。但是石墨基负极材料的理论容量只有372mAh/g，已不能满足人们对于高容量的需求。而理论容量较高的硅基材料和过渡金属氧化物由于脱嵌锂过程中巨大体积变化，且导电性差，导致寿命低、易衰减、循环稳定性差。因此，急需寻找同时满足容量高和循环稳定性好的锂离子电池负极材料。

单质硒具有较高的理论比容量（重量比容量为675mAh/g，体积比容量为3268mAh/g），高的电导率（10^-5S/cm，远高于硫10^-30S/cm）引起广泛关注。Amine等人（J.Am.Chem.Soc.2012,134,4505-4508）首先报道了一种锂-硒电池的制备方法，但是由于硒颗粒尺寸太大，无法有效复合，导致循环过程中容量快速衰减。Guo等人（Angew.Chem.Int.ed.2013,52,8363-8367）利用熔融-扩散法制备出环状或链状的硒分子，其库伦效率接近100%，但容量只有657mAh/g。

研究发现，利用硒进行合金化可以有效缓冲脱嵌锂过程中的体积变化，改善循环性能。近年来，金属硒化物被广泛应用于锂离子电池负极材料。Zhang等人（ELECTROCHIMICAACTA . 2016, 209, 423-429）报道了一种一维纳米线状SnSe/C复合负极材料，在200mA/g的倍率下经过100次循环后可以保持最初的840mAh/g的容量。虽然倍率性能较为突出，但其容量仍然有待提升。

发明内容

为了克服上述技术无法同时满足高容量、长寿命和优异倍率性能的缺点，本发明提供了一种经济高效、性能稳定、可工业化生产的三维多孔碳包覆硒化锌材料及其制备方法和在锂离子电池领域的应用。

本发明提供的三维多面体多孔碳包覆硒化锌材料的制备方法，是利用锌基金属有机框架（ZIF-8）作为模板，利用氢氩混合气作为保护气氛，与硒粉在高温下进行硒化反应，原位制备得到三维多孔碳包覆硒化锌材料。制备的材料中，由硒化锌量子点嵌在多孔碳中，具有介孔结构和较高的比表面积，而且非常完整地保持了ZIF-8的多面体形貌，在作为锂离子电池负极材料使用的过程中，表现出优良的性能。

本发明所述的三维多面体多孔碳包覆硒化锌材料的制备方法，具体步骤为：