[发明专利]一种自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料及其制备方法。该制备过程包括：1）将聚合物和钴盐溶解于N,N‑二甲基甲酰胺中得到前驱体溶液；2）利用静电纺丝的方法将前驱体溶液转化成前驱体纤维膜；3）将前驱体纤维膜在高温下进行硫化和碳化，得到自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料。多孔的包覆碳可以促进电子传输和离子扩散并缓解活性物质体积膨胀；自支撑的特性使得材料不需要经过涂膜，可以任意裁剪并直接用作电极。本发明方法简单，制备的材料表现出优异性能，CoS颗粒的电化学活性得到了很大的提升，是一种高性能钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及钠离子电池领域，具体涉及一种自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料及其制备方法。

背景技术

近年来，由于新能源领域的兴起，对储能器件的质量以及数量的要求日益增加。锂离子电池因其轻便和高性能等特点而受到广泛关注从而被大量开发和使用，因此锂资源更加稀缺，价格不断攀升。钠是与锂处于同一主族的元素，与锂有相似的化学和电化学性质，而且其成本较低，所以钠离子电池有望代替锂离子电池应用于大范围能量储存。钠离子的体积较锂离子大，使得其电化学动力学较差，所以锂离子电池的材料不能简单的套用在钠离子电池上。所以，开发低成本高性能的钠离子电池材料是非常重要的。

硫化物是一种具有高比容量的钠离子电池负极材料，其能和钠发生转化反应，M-S键相比于M-O键更容易断裂，同时Na₂S的导电性也比Na₂O更好，因此往往具有更好的电化学活性和可逆性。目前也有一些研究证明了硫化物的优异性，如SnS₂（ACS Appl. Mater.Interfaces 2015, 7, 11476-11481）, CoS(Small 2016, 12, 1359-1368), Fe_1-xS(ACSEnergy Lett. 2017, 2, 364-372)等。CoS是很有应用前景的材料，而想要提高其电化学活性的一个方法就是将CoS纳米化。碳包覆是一种有效的限制活性物质在材料制备和充放电过程中团聚和粉化的一个手段，同时多孔3D碳纤维网络可以缩短电子传输和离子扩散路径，将硫化物均匀分散在碳质中也可以缓解硫化物导电性不好的问题。目前，绝大多数的电极材料都需要在铝箔或者铜箔上涂布才能用作电极，电极涂布的过程中需要添加导电剂和粘结剂，粘结剂会影响电极的导电性，影响倍率性能，而活性物质在循环的过程中可能从集流体上脱落造成循环性能差，集流体的质量也通常是活性物质的数倍之多，从而使电池的能量密度和功率密度下降。而自支撑的电极材料不需要添加剂，可以避免活性物质脱落的情况，在不需要集流体的情况下，更是可以极大地提高电极材料的能量密度和功率密度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，创新地应用静电纺丝技术结合热处理的方法，制备了一种高性能钠离子电池负极自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤:

（1）将聚合物和钴源溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，得到前驱体溶液；

（2）利用静电纺丝的方法将步骤（1）所得前驱体溶液转化成前驱体纤维膜；

（3）将步骤（2）得到的前驱体纤维膜在高温下进行硫化和碳化，得到钠离子电池负极自支撑多孔碳纳米纤维包覆的CoS纳米颗粒材料。

优选的，步骤（1）中，所述钴源为醋酸钴；所述聚合物为聚丙烯腈。

优选的，步骤（1）中，所述钴源与聚合物的质量比为1：1-4：1。

优选的，步骤（1）中，所述聚合物的质量为前驱体溶液总质量的6-12%。

优选的，步骤（1）中，所述溶解的温度为30-80℃。