[发明专利]一种硫化锡锰/碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

一种硫化锡锰/碳复合材料及其制备方法与应用，所述硫化锡锰/碳复合材料的化学式为：Sn_1‑xMn_xS₂/C，其中Sn:Mn=1‑x:x，0x0.1。本发明还包括所述硫化锡锰/碳复合材料的制备方法与应用。本发明制备方法工艺流程短、操作简单、产率高、原材料廉价易得、环境友好，可以实现不同纳米尺度的硫化锡锰/碳复合材料的合成。将其作为钾离子电池的负极材料时，不仅可以有效缩短离子的传输路径、提升材料的离子扩散速率、改善复合材料的电导率，还可以有效限制活性物质在充放电过程中的体积膨胀，防止活性材料的粉化和坍塌，使得制备的钾离子电池具有稳定性高、倍率性能好、循环寿命长等优点。

技术领域

本发明属于电化学及电池技术领域，具体涉及一种硫化锡锰/碳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，人类社会的不断发展加剧了传统化石能源供给和工业化快速发展间的矛盾，而因使用化石能源不可避免的带来的环境污染问题也严重影响人类社会和谐和稳定。因此，需要开发新型清洁能源体系，从而从源头上解决上述问题，在诸多清洁的新型清洁储能体系中，锂离子电池有着清洁无污染、比能量高、工作电压高、自放电小、循环寿命长和等优异的性能，成为了新一代储能体系中的佼佼者，已经被广泛应用到便携式电子产品以及各种纯电动、插电式混合动力汽车领域。然而在动力电池市场极速扩张、锂资源匮乏、日均消耗大以及锂源生产成本居高不下的大背景下，锂离子电池的发展受到了严重的限制，众多科研工作者寄希望于寻找新型二次电池体系从而在大规模储能应用领域部分替代锂离子电池。在众多新型二次电池储能体系中，钾离子电池脱颖而出，引起了人们的广泛关注，被认为是最有希望替代锂离子电池的新一代二次电池储能体系。钾与锂属同一主族元素，具有相似的物理、化学性质。与此同时，由于钾元素的全球储量丰富，标准电极电势与锂接近且充放电平台较低兼具比容量高、安全性能好等优点，符合未来大规模储能领域的实际应用需求。因此，以钾离子电池为主体的新型储能器件也受到了众多研究者们的广泛关注。

钾离子电池的负极材料须具备较高的储钾容量以及较优的循环稳定性。目前商业化应用的锂离子电池石墨负极材料被认为是一种兼具廉价和高稳定性的优良材料，但是由于钾离子半径远远大于锂离子半径这一本征化学特性，导致商业化石墨的嵌钾性能不佳。不仅如此，在充放电循环过程中碳材料与电解液形成的固体电解质界面膜并不稳定，使得在长循环过程中电解液的不断消耗并造成较差的循环稳定性。此外，由于石墨的理论储钾容量偏低（仅为279 mAh g^-1）极大的限制了钾离子电池在大规模储能电站领域的应用。因此，为了提高钾离子电池的储钾比容量以及相应的能量密度、倍率性能以及循环稳定性等关键性能参数，加速钾离子电池的实用化进程，需要大力研发具有高容量、长寿命的新型钾离子电池负极材料体系。

锡基硫化物负极材料（SnS_x）具有较高的储钾理论比容量，且相对于氧化物负极材料而言，其拥有更高的电荷转移速率，有利于加快钾离子、电子的转换速率以及加速表界面的电化学反应速率，进而提升电化学性能。然而，锡基材料在充放电过程中存在较大的体积变化极易导致电极材料的粉化和崩塌，影响电池的长循环稳定性，成为了限制锡基硫化物应用推广过程中的阻碍。如何有效的限制锡基硫化物（SnS_x）的体积效应，维持材料微纳结构的稳定性以及进一步提高材料电导率是提升钾离子电池负极材料性能、加速锡基硫化物实际应用化进程的关键。近年来的研究结果表明：通过掺杂少量过渡金属元素构建锡基硫化物复合材料（MSnS_x, M= Mn, Co, Fe, Ni, , Zn等），利用不同晶体结构间形成的异质结可以大幅度抑制锡基材料充放电过程中的体积膨胀，有效避免因活性物质体积效应造成的电极粉化、崩塌现象，显著提高材料的长循环稳定性。不仅如此，构建的锡基硫化物复合材料在充放电过程中拥有丰富的氧化还原反应对，可以有效保证材料的比容量。因此，大力开发储钾比容量高、循环性能稳定性好的锡基硫化物复合材料，对于突破材料的应用瓶颈，加快钾离子电池商业化应用具有重要意义。

发明内容