[发明专利]一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料及其制备方法和应用，该制备方法首先将钴盐溶液、锌盐溶液和2‑甲基咪唑溶液混合均匀，反应得到沉淀，洗涤、干燥后得到沸石咪唑酯骨架结构材料；然后在惰性气氛下对沸石咪唑酯骨架结构材料进行焙烧，得到碳纳米管复合金属钴纳米材料；最后将碳纳米管复合金属钴纳米材料与硫混合均匀，在惰性气氛下进行硫化反应得到碳纳米管复合硫化钴纳米材料。该材料可用于作为电极的活性材料。本发明通过对沸石咪唑酯骨架结构材料进行高温焙烧以原位形成碳纳米管，抑制材料膨胀，使膨胀幅度变小，提高结构稳定性，使超级电容器和锂硫电池经过几百次循环后依然具有高容量保持率。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种新型储能装置，具有循环使用寿命长，快速充放电且功率密度高等优点，在多种领域得到广泛应用，例如军工产业、电子产品、民用以及工业领域。超级电容器的主要电极材料为碳材料，主要利用了碳材料高比表面积、丰富的孔结构的优点。不过碳材料同时存在浸润性低的缺陷，阻碍电解液离子完全进入微孔，使碳材料的比表面利用率大幅降低，严重限制超级电容器的容量。

过渡金属硫化物电极材料(如CoS、NiS、ZnS和MoS等)具有独特的纳米结构，较好的电化学活性和低电负性，是另一种可应用于超级电容器的电极材料。但过渡金属硫化物应用于超级电容器时，充放电过程中材料体积膨胀严重，同时硫化物中间体溶解在电解液中，导致电容器的倍率性能和循环性能降低。

锂硫电池是一种以金属锂为负极材料，以单质硫为正极活性物质的新型电池，其中正极中的硫一般被负载到各种载体中进行固定，然而在充放电过程中载体会发生体积膨胀，导致容量降低，使得电池循环寿命差，阻碍了锂硫电池的推广应用。

可见，无论是超级电容器还是锂硫电池，其性能均受电极材料的性能限制，充放电过程中电极材料发生的体积膨胀现象严重降低了超级电容器、锂硫电池的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中电极材料体积膨胀导致循环性能下降的缺点，提供一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料及其制备方法和应用。

本发明提供一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钴盐溶液、锌盐溶液和2-甲基咪唑溶液混合均匀，反应得到沉淀，洗涤、干燥后得到沸石咪唑酯骨架结构材料；

(2)在惰性气氛下对步骤(1)的沸石咪唑酯骨架结构材料进行焙烧，得到碳纳米管复合金属钴纳米材料；

(3)将碳纳米管复合金属钴纳米材料与硫混合均匀，在惰性气氛下进行硫化反应，得到碳纳米管复合硫化钴纳米材料。

进一步，步骤(2)中所述焙烧温度为700～900℃，焙烧时间为1～3h。

进一步，步骤(3)中所述硫化反应的温度为600～700℃。

进一步，步骤(1)中所述干燥温度为80～120℃，干燥时间为12～24h。

进一步，所述钴盐、锌盐分别为钴或锌的硝酸盐、氯盐或硫酸盐；优选地，所述钴盐和锌盐分别为硝酸钴和硝酸锌。

进一步，所述钴盐溶液、锌盐溶液或2-甲基咪唑溶液的浓度为0.2～0.5mol/L；优选地，所述钴盐溶液和锌盐溶液浓度均为0.2mol/L，所述2-甲基咪唑溶液浓度为0.5mol/L。

本发明还提供上述由上述制备方法制得的碳纳米管复合硫化钴纳米材料。

同时，本发明还提供一种电极，其活性材料为上述碳纳米管复合硫化钴纳米材料。