[发明专利]一种碳复合的硫族化合物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳复合的硫族化合物复合材料及其制备方法和应用，属于二次离子电池技术领域。本发明提供的碳复合的硫族化合物复合材料包括硫族化合物纳米晶和乱层石墨碳，所述硫族化合物纳米晶位于乱层石墨碳的网络化框架结构中，所述硫族化合物纳米晶的材质包括金属硫族化合物、二硫化硅和二硒化硅中的至少一种。本发明所提供的碳复合的硫族化合物复合材料在循环充放电100次以上时，仍然能够保持较高的质量比容量和99％以上的库伦效率，具有优异的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及二次离子电池技术领域，尤其涉及一种碳复合的硫族化合物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，二次锂离子电池被广泛应用于电子产品中。然而，随着科技的发展，对二次锂离子电池的容量要求越来越高，现有商业化电池所用的负极石墨的容量已不能满足需求。因此，开发具有高容量和快速离子传输的负极材料，是二次锂离子电池发展亟待解决的问题。硫族化合物因其原料资源丰富、价格低，并具有较高的理论容量，被认为是最有应用前景的负极材料之一。但是，硫族化合物本征电子导电性差、动力学缓慢，在循环过程中体积膨胀大，导致结构发生破坏，储锂离子能力下降，因此严重阻碍其实际应用。

研究人员通常将材料的尺寸减小到纳米级，并引入导电碳来改善硫族化合物材料的电化学性能。一方面，制备纳米尺寸材料可以显著降低离子扩散长度，并提高电极材料的结构稳定性；另一方面，碳基复合材料可以提高整个材料的电导率，并起到缓冲层的作用，缓解充放电过程中产生的体积应力。尽管研究人员已经做了大量研究，但该碳基复合材料的结构稳定性仍然不能满足要求，并且包覆碳材料占比过高，会导致硫族化合物的载量偏低，使得电池的质量比容量偏低，难以工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳复合的硫族化合物复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的碳复合的硫族化合物具有优异的稳定性，且可提高硫族化合物的载量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳复合的硫族化合物复合材料，包括硫族化合物纳米晶和乱层石墨碳，所述硫族化合物纳米晶位于乱层石墨碳的网络化框架结构中，所述硫族化合物纳米晶的材质包括金属硫族化合物、二硫化硅和二硒化硅中的至少一种。

优选的，所述硫族化合物纳米晶的平均粒径为5～50nm。

优选的，所述金属硫族化合物包括二硫化铁、硫化亚铁、硫化铜、二硫化镍、二硫化钴、二硫化锰、二硒化铁、硒化亚铁、硒化铜、二硒化镍、二硒化钴和二硒化锰中的至少一种。

优选的，所述乱层石墨碳的含量为0.1～5wt.％。

本发明还提供了上述技术方案所述的碳复合的硫族化合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将金属粉和/或硅粉与硫族材料、碳材料混合后，进行机械合金化，得到碳复合的硫族化合物复合材料；所述硫族材料为硫粉和硒粉中的至少一种。

优选的，所述机械合金化的方式为球磨，所述球磨的球料比为10～30:1，所述球磨的转速为400～1000r/min，时间为20～50h。

优选的，所述球磨在保护气氛中进行。

优选的，所述碳材料为碳纳米管、石墨和石墨烯中的至少一种。

优选的，所述金属粉和硅粉的粒径独立的≤74μm。

本发明还提供了上述技术方案所述碳复合的硫族化合物复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的碳复合的硫族化合物复合材料作为二次锂离子电池、二次钠离子电池或二次钾离子电池的负极材料的应用。