[发明专利]纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括：使包含含硫物质、金属盐前驱体、纳米碳质前驱体和溶剂的混合反应体系发生水热反应，之后于还原性气氛中对所获混合物进行热处理，获得富含缺陷的纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料。本发明采用水作为溶剂制备得到纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料，所述多孔材料具有氮硫双掺杂、高活性的金属阳离子缺陷结构，有利于对充电过程中可能产生的多硫化锂的吸附；同时，本发明以纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料制备的锂离子电池，在优化电池测试参数下，抑制了多硫化锂副产物的产生，提高了库伦效率，电池实现了在高功率密度下的稳定的电化学循环及倍率性能。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，具体涉及一种纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料及其制备方法与应用，例如，在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池在日常生活的小型化仪器和设备得到了广泛的运用，但是还不能满足未来大型储能装置及电动汽车的需求。研究和开发新型高能量密度和功率密度的锂电池越来越受到广泛的关注。与传统的金属氧化物电极相比较，过渡态金属硫化物的导电性有所提高，电极具有高的能量密度且价格便宜的优势。然而，金属硫化物电极的电子和离子导电能力有待提高，电极在充放电过程中会发生体积变化，放电产物硫化锂会不完全利用形成多硫化物发生穿梭效应等问题。为克服以上问题，导电碳黑、多孔碳、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、杂原子(氮或氧)功能碳等各种导电碳质材料被用于与金属硫化物复合获得碳/金属硫化物电极材料，一定程度上改善了碳/金属硫化物电极的电化学性能。目前，绝大部分的纳米金属硫化物都是在有机溶剂中制备得到，大量有机溶液的使用会对环境带来危害。此外，金属硫化物电池的倍率和循环性能还需进一步提高。

基于有机溶剂合成的金属硫化物的制备过程复杂，繁琐，还会产生各种有毒气体对环境产生一定的破坏。纳米结构的金属硫化物的制备方法还需进一步探索。金属硫化物电极在首次放电结束后的产物为金属和硫化锂，基于转化反应的金属硫化物的导电能力不高，需要添加各种导电剂来形成复合材料。在充放电反应后会发生体积的变化，这也会使得纳米结构会发生破坏。在常规的首次充电过程中，部分硫化锂在高压下会形成多硫离子，形成穿梭效应，这使得电池也很难实现大倍率的循环，从而恶化电池的循环寿命。此外，电池的优异性能与电极的纳米结构离不开关系，优化金属硫化物的结构有利于实现活性物质的高效利用。现有技术还不能一步法制备三维纳米碳质包覆金属硫化物的材料，也没有实现电池在高功率密度下实现稳定的电化学性能。因此，急需寻找一种简单高效制备高活性金属硫化物的方法，实现金属硫化物在电极中的高效利用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料的制备方法，其包括：

使包含含硫物质、金属盐前驱体、纳米碳质前驱体和溶剂的混合反应体系于150-200℃发生水热反应6-18h，之后在还原性气氛中，将所获混合物于200-500℃热处理15-60min，获得富含缺陷的纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料。

本发明实施例还提供了前述方法制备的纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料，所述纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料具有三维多孔结构，所述纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料的孔径大小为2-30nm。

本发明实施例还提供了前述的纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料于制备锂离子电池中的用途。

本发明实施例还提供了一种锂离子电池正极材料，其包括前述的纳米碳质/金属硫化物复合多孔材料、导电剂以及粘结剂。

本发明实施例还提供了一种锂离子电池正极，其包括导电集流体以及施加于所导电集流体上的前述的锂离子电池正极材料。

本发明实施例还提供了前述的锂离子电池正极的制备方法，其包括：