[发明专利]锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种蛋黄壳结构的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料的制备方法，该材料可作为长寿命、高倍率锂离子电池负极活性材料，其具有以锌钴硫化物为内核，氮掺杂碳为外壳的蛋黄壳结构，尺寸为100‑200纳米，其中锌钴硫化物的尺寸为80‑100纳米，碳外壳的厚度为10‑20纳米。本发明的有益效果是：本发明利用金属有机框架的优势，仅通过前驱体的制备、包碳、硫化煅烧三步便得到目标产物，制得的材料产率高、稳定性好、重复性强，为探索大规模合成性能优异的高倍率特性纳米材料做出了努力。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种蛋黄壳结构的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料的制备方法，该材料可作为长寿命、高倍率锂离子电池负极活性材料。

背景技术

随着全球经济与环境问题变得越来越严峻，发展储能高效和环境友好的装置显得尤为重要。锂离子电池因其具有能量密度高、安全性高、环境友好、记忆效应小、自放电率低等优点，被认为是最具潜力的能量储存系统。在手机，笔记本电脑等便携式电子设备中，锂离子电池已得到广泛应用。然而，为了满足目前大规模能源的存储和运输的需求，锂离子电池的容量、倍率性能和使用寿命仍需进一步提高。在负极材料中，过渡金属硫族化合物因其具有更高的比容量、低成本等优点而被研究者们广泛关注。然而制约其广泛应用的关键问题是：低的电导率和离子扩散速率；锂离子嵌入脱出过程中巨大的体积变化导致的结构粉碎进而引起的容量迅速衰减。

从材料结构、组成方面可以有效解决这些问题，例如减小材料的尺寸到纳米级以缩短离子扩散距离从而提高其电化学性能以及电池寿命。设计构筑多孔材料，可以有效缓解锂离子嵌入脱出时导致的体积变化，提高材料结构的稳定性，进而提高电池的循环稳定性和使用寿命。导电碳具有高的电导率，可以提高电极材料的电荷转移速率。双金属之间存在协同作用，可以提高材料电化学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出的一种蛋黄壳结构的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料的制备方法，其工艺简单、符合绿色化学的要求、具有优良电化学性能的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料，其具有以锌钴硫化物为内核，氮掺杂碳为外壳的蛋黄壳结构，尺寸为100-200纳米，其中锌钴硫化物的尺寸为80-100纳米，碳外壳的厚度为10-20纳米。

按上述方案，所述的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料以Zn_0.754Co_0.246S和CoS为主要物相。

所述的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将锌源和钴源溶解在甲醇中，搅拌至完全溶解；

2)将二甲基咪唑溶解在甲醇中，搅拌至完全溶解；

3)在步骤2)所得溶液中，滴加入步骤1)所得溶液，搅拌反应；

4)将步骤3)所得产物离心分离，洗涤，烘干，得到前驱体；

5)将三羟甲基氨基甲烷溶解在无水乙醇中，搅拌至完全溶解；

6)在步骤5)所得溶液中，加入步骤4)所得前驱体，搅拌至完全溶解；

7)在步骤6)所得溶液中，加入盐酸多巴胺，搅拌反应；

8)将步骤7)所得产物离心分离，洗涤，烘干，得到Co-Zn-ZIF67@C前驱体；

9)将步骤8)中所得Co-Zn-ZIF67@C前驱体与升华硫混合后进行煅烧，即得到蛋黄壳结构的锌钴硫化物/氮掺杂碳复合材料。

按上述方案，步骤1)所述的锌源为六水硝酸锌，用量为1～2mmol；所述的钴源为六水合硝酸钴，用量为3-4mmol；甲醇用量为30-50ml。