[发明专利]一种通用的合成多种形貌的碳包覆的镍金属化合物的制备方法

说明书

本发明涉及利用金属有机框架设计构造出一种通用的合成多种形貌的碳包覆的镍金属化合物作为钠离子电池负极材料的制备方法。该方法步骤包括：将有机配体，镍源和表面分散剂按照一定量比溶解到混合溶剂中，控制水热反应时间生成不同形貌(实心球、核壳球、中空球)的含镍的金属有机框架；将此为模板，调节阴离子配体，利用离子交换策略合成与模板形貌相似的多种碳包覆的含镍的化合物(氧化镍、磷化镍、硫化镍、硒化镍、碲化镍)。本发明的优点在于：形貌可调；组份丰富；条件易控；操作简单；转化效率高；合成方法具有普适性，能够拓展到其他种类的碳包覆的金属化合物合成中；产物具有高的比容量和良好的倍率性能。

技术领域

本发明属于开发出一种通用的方法合成多种不同形貌(实心球、核壳球、中空球)的碳包覆的含镍的金属化合物(氧化镍、磷化镍、硫化镍、硒化镍、碲化镍)应用为钠离子电池负极材料的技术领域，具体而言，通过控制反应温度和时间，使用不同的离子化反应合成多种形貌的碳包覆的含镍的金属化合物作为钠离子电池负极材料的应用。

背景技术

相对于传统的石墨材料(37mAh g^-1)，过渡金属化合物(金属氧化物、磷化物、硫化物和硒化物)作为新型的电极材料具有较高的理论容量和较低的还原电势受到了广泛地重视。然而这些化合物的导电性差，动力学反应迟钝且在充放电过程中体积变化大，颗粒容易团聚破碎造成容量衰减过快，因此采用合适的技术手段对上述材料进行修饰改性尤为重要。

常见的改性方法主要包括对材料的形貌进行调控，或者与导电性良好的碳材料进行复合。传统的合成方法往往需要冗长的操作步骤，借助额外碳材料(如石墨烯，碳纳米管，介孔碳)，容易造成材料浪费，转化效率低，因此开发出一种高效环保且通用的合成碳复合的金属化合物的方法对提高材料的储能有重大意义。金属有机框架(Metal-organicframeworks)是一种新型的由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的有机-无机杂化材料，具有较大的比表面积，高度的多孔性，可调控的组份和形貌等特点。在有机配体和金属离子或团簇进行结合的过程中，通过调节不同反应温度和反应时间可合成多样形貌的金属有机框架。由于它的配位键不稳定性导致金属有机框架在热解过程中容易分解，因此可作为模板(前驱体)进一步通过离子化反应，调节不同的配位原子与中心原子结合形成不同的离子化合物，且维持与模板(前驱体)相似的形貌。其中有机配体可以原位热解生成无定形碳，包覆在金属化合物外围，既能维持整体材料的完整性，阻止副反应的生成也能增加材料的导电性。借助于复合材料的限域效应和协同效应，材料的储能容量和循环寿命得到有效地改善。

发明内容

本发明的目的是开发出一种通用的合成多样形貌的碳包覆的金属化合物作为钠离子电池负极材料的方法。将有机配体，镍源和表面分散剂混合均匀后转移到混合溶剂中，控制反应温度和时间，水热生成不同形貌的含镍的金属有机框架(Ni-MOFs)。以它为模板，通过离子化反应引入不同的配位原子，合成多种形貌的碳包覆的镍金属化合物(氧化镍、磷化镍、硫化镍、硒化镍)作为钠离子电池的负极材料。该合成方法具有普适性，操作简单有效，生产出的复合材料结构稳定，可逆容量高，倍率性能良好，且具有稳定的长循环寿命。

本发明的目的可以通过以下方案实现：

一种通用的合成多样形貌的碳包覆的金属化合物作为钠离子电池负极材料制备方法，具体是将苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮以及金属镍源加入到混合溶剂中，搅拌均匀后转移至水热釜中，在50-300℃的温度下，控制反应时间(6-48h)，合成具有不同结构的Ni-MOFs球。然后通过离子化反应，引入不同的配位原子，经过热解后生成相应形貌的碳包覆的镍金属化合物。

以上所述利用水热法合成的不同形貌的Ni-MOFs球，尺寸大约在0.5-10μm之间；然后引入不同的配位原子，借助离子化反应生成的碳包覆的镍金属化合物的尺寸大约在0.5-10μm之间。