[发明专利]一种过渡金属碳化物、碳材料、过渡金属硫属化合物的制备方法和应用

说明书

本发明涉及碱金属离子电池技术领域，具体公开一种过渡金属碳化物、碳材料、过渡金属硫属化合物的制备方法和应用。所述过渡金属碳化物的制备方法，包括如下步骤：将碳源与过渡金属可溶性盐分散于去离子水中，烘干，得到前驱体，烧结，得到过渡金属碳化物，并将其用于制备碳材料和过渡金属硫属化合物。本发明提供的过渡金属硫属化合物具有更大的比表面积，且可以与钠离子或钾离子发生多电子转换反应，可以实现高效率钠离子或钾离子的吸附和嵌入，有效减减轻负极材料的膨胀的同时，提高电池的倍率性能和比容量，延长电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及碱金属离子电池技术领域，尤其涉及一种过渡金属碳化物、碳材料、过渡金属硫属化合物的制备方法和应用。

背景技术

钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs是一类新型电化学电源，近年来，钠离子电池和钾离子电池因资源储量丰富、原材料价格低廉的优势引起了人们的广泛关注，有望成为代替锂离子电池(LIBs)的新一代蓄电池。但由于钠离子和钾离子的半径较锂离子的半径大，很多适用于锂离子电池电极材料并不能很好的实现钠离子和钾离子的脱嵌。因此，对具有优异电化学性能的电极材料的开发成为了学术界的研究重点。

目前，合金材料、碳材料、钛基氧化物、过渡金属硫属化合物等材料在钠离子电池和钾离子电池负极材料上的应用已经有相关的报道。其中，过渡金属硫属化合物由于具有超高的电导率，极好的化学稳定性，并且在反应过程中不会被分解，减少了副反应的发生，被认为是有前途的碱金属离子电池负极材料，但由于钾离子和钠离子的半径体积很大，在充放电过程中钾离子和钠离子的嵌入和脱嵌使负极材料膨胀，进而导致被测电池的速率能力差，容量衰减快，循环寿命短等问题。

发明内容

针对现有钠离子电池和钾离子电池负极材料存在的上述技术问题，本发明提供一种过渡金属碳化物、碳材料、过渡金属硫属化合物的制备方法和应用。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种过渡金属碳化物的制备方法，包括如下步骤：将碳源与过渡金属可溶性盐分散于去离子水中，烘干，得到前驱体，烧结，得到过渡金属碳化物。

相对于现有技术，本发明提供的过渡金属碳化物的制备方法，工艺简单，操作方便，将碳源与过渡金属可溶性盐的混合溶液进行烘干处理，得到胶状的前驱体，保证物料分散均匀的同时，使过渡金属离子与碳源充分接触并均匀地附着在碳源表面，再经烧结处理得到多孔的过渡金属碳化物，有助于后续获得多孔碳材料及多孔过渡金属硫属化合物。

进一步地，所述碳源为聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素、甲基纤维素或聚乙烯醇，对过渡金属离子具有胶体保护作用，更易形成胶状前驱体；所述过渡金属可溶性盐为过渡金属硝酸盐，或所述硝酸盐的水合物，所述过渡金属为铁、钴、铜或锌。

进一步地，所述碳源与过渡金属可溶性盐的质量比为1～9:1～9；所述烘干的温度为60～90℃，时间为12～24h，保证胶状前驱体的形成；所述烧结的温度为500-900℃，时间为1～5h。

进一步地，碳源与过渡金属可溶性盐在去离子水中的分散温度为25～45℃，时间为1～3h，保证二者充分接触，便于形成均一稳定的胶状前驱体。

本发明还提供了上述过渡金属碳化物在在钠离子电池和钾离子电池中的应用。该过渡金属碳化物用于钠离子电池或钾离子电池中，作为负极材料，能够提高电池的放电比容量，并延长电池的循环寿命。

本发明还提供了一种碳材料的制备方法，包括如下步骤：将由上述制备方法所得的过渡金属碳化物进行酸洗，得到碳材料。

采用盐酸、硫酸或硝酸，对所得的过渡金属碳化物进行酸洗，由于强酸较碳元素更加容易结合金属离子形成稳定的结构体，形成可溶于水的金属化合物和多孔碳，用去离子水清洗并干燥后得到多孔碳材料。

本发明还提供了上述碳材料在锂离子电池中的应用，改善电池的放电比容量。