[发明专利]一种原位双层碳包覆复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明一种原位双层碳包覆复合电极材料及其制备方法和应用；通过过渡金属盐与有机配体和噻吩的先后反应，使得到的碳包覆过渡金属硫化物复合材料中的孔隙率和过渡金属硫化物的纯度以及分散性都显著提高，从而对其在电化学过程中的体积变化和材料粉化具有更好的抑制作用，其循环稳定性和倍率性能显著提高；且该制备方法工艺简单、环保，原料来源广、价格便宜，适合碳包覆过渡金属硫化物复合材料的规模化、商业化生产。

技术领域

本发明涉及电极材料领域，特别涉及一种原位双层碳包覆复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着化石能源的快速衰竭带来的能源危机和环境恶化等问题，促使世界各国的研究热点逐渐转向寻找以太阳能、风能、潮汐能为代表的具有环境友好特性的新型可再生能源。但如何才能更好地利用可再生能源，却是对储能设备提出了一个巨大考验；同时，伴随者时代发展，人们对轻巧、安全、便于携带设备需求的与日俱增，使得新型储能设备的研究与开发逐渐成为当今的一大热点。

其中，锂离子电池作为优越的储能设备之一，已在便携式设备、电动汽车、混合型动力汽车、小型智能电网领域显示出优异的性能表现；而钠离子电池也凭借其原料广泛，价格低廉，性能与锂离子电池相当的特性，近几年来也越来越受到研究人员的青睐；也因此，可作为锂/钠离子电池负极材料的具有高理论比容量、低成本、易合成等优势的过渡金属硫化物逐渐引起人们的关注。但由于过渡金属硫化物自身结构与性能的存在的缺陷，导致其作为负极材料时，导电性不佳，且在充放电过程中体积变化严重，极易造成电极粉化，严重时甚至从集流体上剥落，使得容量迅速衰减，造成材料失效，极大地限制了其广泛的应用。

为尽早实现过渡金属硫化物在负极材料中的大规模应用，目前研究者们就如何减缓电化学过程中产生的巨大体积变化和提高循环稳定性等方面提出了诸多改进技术方案，主要包括：（1）将过渡金属硫化物负极材料纳米化，如制备成零维纳米颗粒结构，一维纳米线、纳米管、纳米棒等结构，二维纳米带、纳米盘、纳米片等结构，三维纳米花、纳米球、纳米笼等结构。通过合成纳米材料，极大地提高了过渡金属硫化物的比表面积，使得过渡金属硫化物能充分地与电解液接触，大大缩短了锂/钠离子的扩散路径，且纳米化可显著减小其在电化学过程中所受的应力，使得结构稳定性更好；但纳米化后，其具有的比表面能过大，在合成及应用过程中极易团聚，从而导致其性能稳定性变差。（2）将过渡金属硫化物负极材料制备成特殊结构，如分级多孔结构、中空结构、核–壳结构、蛋黄–蛋壳结构等。通过提供足够的空间容纳过渡金属硫化物的体积变化，并提供丰富的孔隙以提高电解液的浸润性，从而提高其电化学特性；但复杂繁琐的制备方法及较低的体积比容量，极大地限制了其进一步应用。（3）对过渡金属硫化物进行碳材料修饰，如采用负载或碳包覆的方式，在增加导电性的同时，还可抑制电极材料的体积膨胀，减小电化学过程中的机械应力。

针对上述提到的诸多有效的改进技术方案，其中，第（3）种方案是最容易实现工业化生产的，且碳包覆过渡金属硫化物复合材料的各项性能也得到了较大程度的提高，但现有的制备碳包覆过渡金属硫化物复合材料的方法多为水热法、电化学沉积法、离子交换法、硫粉固相反应法、硫化氢高温反应法等，不仅制备得到的碳包覆过渡金属硫化物复合材料的电化学性能较差，且具有生产步骤繁琐、反应时间长、产品纯度低、对生产设备要求较高、含有毒有害原料等问题，难以满足环境友好和工业化大规模生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服采用现有的制备方法制备得到的碳包覆过渡金属硫化物复合材料循环稳定性和倍率性能较差、工艺步骤复杂的不足，提供了一种原位双层碳包覆复合电极材料及其制备方法和应用；本发明通过过渡金属盐与有机配体和噻吩的先后反应，使得到的碳包覆过渡金属硫化物复合材料中的孔隙率和过渡金属硫化物的纯度以及分散性都显著提高，从而对其在电化学过程中的体积变化和材料粉化具有更好的抑制作用，其循环稳定性和倍率性能显著提高；且该制备方法工艺简单、环保，原料来源广、价格便宜，适合碳包覆过渡金属硫化物复合材料的规模化、商业化生产。