[发明专利]一种电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明的目的在于提供一种高稳定性和高倍率双金属硫基钠离子电池负极材料及其制备方法。以GeTiS₃为例，将高比容量的锗金属原子级分散到高稳定性的金属硫化物TiS₃链骨架中，利用锗重构金属‑硫键，形成兼具高稳定TiS₃链骨架结构和Ge‑S弱键结构的新型负极材料，原子级分散的锗难以发生团聚和充放电过程引发的体积膨胀，从而使电化学反应具有高度可逆性和大倍率特性。总之，双金属硫基材料设计能够有效解决锗、硅基材料在循环中的聚集和体积膨胀问题，进而提高钠离子电池的容量、倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明设计属于电池材料领域，具体涉及一种具有优异循环稳定性和高倍率性能的新型负极材料及其制备方法。

背景技术

在当今新能源发展的背景下，钠离子电池因为其低资源依赖性和低成本优势，被认为是具有巨大发展潜力的新一代储能技术。金属锗具有优异的电子导电性(电导率比硅高100倍左右)，超高的理论储钠容量(Na₃Ge：1，108mAh g^-1，NaGe：369mAh g^-1)，较快的钠离子传输速率和优异的机械强度，因而在钠离子电池负极材料研究中备受关注。但金属锗倍率性能较差，在循环过程中会发生巨大的体积膨胀导致颗粒团聚和电极粉碎，导致容量快速衰减，这些问题制约了其在储能电池中的应用。

为了改善钠离子电池负极材料的容量以及循环稳定性，科研工作者已发展多种策略，例如用聚合物(J.Mater.Sci.2014，49，2279-2285)对锗纳米颗粒进行限域包覆，引入碳纳米材料(J.Power Sources 2018，396，124-133；Small 2020，16，1905260)进行包覆等。然而，这些传统纳米化和碳包覆工艺难以抑制锗和硅聚集和体积膨胀，无法有效解决锗基和硅基负极的性能短板问题。

金属锗更容易与多种金属和非金属元素形成化合物，因此可以作为“原子剪刀”均匀分散到金属化合物中切断原有化学键并形成新的含锗化学键。从而可以据此原理设计并制备新型锗基负极材料：将金属锗在刚性和高电导的晶体骨架中进行原子级分散，通过化学裁剪效应重排晶体结构，可以同时实现锗基负极材料高稳定性和钠离子快速脱嵌。

层状过渡金属硫化物，具有良好的导电性和较高的储钠理论容量，比如TiS₂的导电性达到104S m^-1，理论容量高达239mAh g^-1，可以作为分散金属锗的理想材料。因此我们设计将高比容量的金属锗分散到高稳定性的金属硫化物骨架中，利用锗“化学剪刀”效应重构金属-硫键，形成兼具稳定金属硫化物链骨架结构和Ge-S弱键结构的新型负极材料，有效抑制金属锗聚集和体积膨胀效应，实现储钠过程中高循环稳定性和超高倍率性能。硅和锗属于同族元素，化学活性总体相似，亦可通过此机制进行材料设计实现性能改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高稳定性和高倍率双金属硫基钠离子电池负极材料及其制备方法。以GeTiS₃为例，将高比容量的锗金属原子级分散到高稳定性的金属硫化物TiS₃链骨架中，利用锗“化学剪刀”效应重构金属-硫键，形成兼具高稳定TiS₃链骨架结构和Ge-S弱键结构的新型负极材料，原子级分散的锗难以发生团聚和充放电过程引发的体积膨胀，从而使电化学反应具有高度可逆性和大倍率特性。总之，双金属硫基材料设计能够有效解决锗、硅基材料在循环中的聚集和体积膨胀问题，进而提高钠离子电池的容量、倍率性能和循环稳定性。