[发明专利]ZnS‑Al2O3/N‑C复合电极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料及其制备技术领域，特别是涉及一种多级结构ZnS-Al₂O₃/N-C复合电极材料及制备方法。

背景技术

ZnS作为一种宽禁带无机半导体材料在传感器、太阳能电池、激光等领域展现出广阔的应用前景。在锂离子电池领域，过渡金属硫化物相较于传统碳负极材料具有理论比容量高等优势，因此ZnS作为锂离子电池电极材料日益引起人们的关注。

在文献(1)J Solid State Electrochem(2006)10:250-254中，Jiazhao Wang等人通过将1mol/L的ZnSO₄溶液和1mol/L的Na₂S溶液同时滴加入浓度为0.1mol/L的乙二胺四乙酸溶液中获得ZnS纳米晶。电化学测试表明该ZnS纳米晶具有高的初始比容量(1450～1500mAh/g)，但经15周循环后就快速降低至400mAh/g。这是因为纯ZnS的导电性差，充放电循环中ZnS团聚现象严重。

为了提高ZnS的导电性，减小充放电过程中ZnS的团聚，将ZnS与碳材料复合是一种有效手段。在文献(2)Electrochimica Acta(2011)56:1213-1218中，Li He等人先通过Na₂S和ZnCl₂的沉淀反应获得ZnS纳米颗粒，然后在其表面包覆柠檬酸并进行高温焙烧获得ZnS/C复合材料，粒径为20-30nm的ZnS均匀分散于碳导电网络中。该复合材料的首次放电比容量为481.6mAh/g，循环300周后比容量为304.4mAh/g，表现出良好的循环稳定性。但该材料的比容量偏低，较理论容量仍有较大提升空间；此外，该复合材料的制备方法也较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZnS-Al₂O₃/N-C复合电极材料及制备方法，该复合材料可以用作锂离子电池负极材料。制备工艺简单、成本低廉且试剂无毒。

该复合材料由硫化锌ZnS、氧化铝Al₂O₃和氮掺杂碳N-C三部分组成且各组分的质量百分数分别为32-43％、2-12％和45-66％；该ZnS-Al₂O₃/N-C复合材料由纳米片相互连接而成，呈花状多级结构；N-C作为纳米片的主体，构成连续的导电网络，无定型Al₂O₃和粒径为2-3纳米的ZnS颗粒均匀分散于N-C中，均匀分散的Al₂O₃起到阻隔ZnS纳米颗粒团聚的作用。该复合材料的结构示意图见图1所示。

本发明多级结构ZnS-Al₂O₃/N-C复合材料的制备方法是将含硫氮有机阴离子通过水热反应插入层状双羟基复合金属氧化物层间，以获得插层结构前驱体，再通过高温焙烧后获得本发明产品。具体工艺步骤如下：