[发明专利]一种含Ni的CuS/C复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种含Ni的CuS/C复合材料的制备方法及应用，包括以下步骤：制备铜镍离子混合液、制备前驱体反应液、制备前驱体、去除杂质、前驱体活化处理、前驱体硫化‑碳化处理，本发明提供的含Ni的CuS/C复合材料是应用于锂硫电池正极材料上。本发明提供的含Ni的CuS/C复合材料独特的多孔碳框架结构有利于提高电池的倍率性能、双金属离子固硫可以有效抑制多硫离子的穿梭问题、双金属离子协同抑制体积膨胀问题。本发明的制备方法工艺简单，环境友好，不需要高温高压，可以直接用纯硫作为硫源，不易产生污染气体和副产物，而且无需高温高压条件，普通实验室即可完成操作。

技术领域

本发明涉及一种利用镍掺杂铜基金属有机框架材料制备金属硫化物的方法，应用于锂硫电池储能系统。具体涉及一种含Ni的CuS/C复合材料的制备方法及应用。

技术背景

随着科学技术和经济发展，电子器件对于移动电源的要求日益提升，锂离子储能体系电池由于具有比能量密度大、循环寿命长和安全性能好等特点，因此受到极大关注和发展。其中的锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池，因其较低的成本、较高的理论比容量(1675 mA/hg)和能量密度(2600 Wh/kg)，被认为是最有前途的下一代储能电池之一。但是锂硫电池存在多硫离子穿梭导致的容量衰减以及单质硫和Li2S的绝缘性导致的倍率性能差等问题，严重阻碍了锂硫电池的发展和应用。因此，目前对锂硫电池的研究，主要是把硫和碳材料复合，或者把硫和有机物复合，可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。与传统的锂硫电池材料相比，金属硫化物/碳复合材料具有较高理论容量、良好的导电性以及化学固硫等特点。导电性好的材料添加有利于提升电池的倍率性能，对多硫离子较强的吸附能力可以抑制多硫离子的穿梭效应。

硫化铜/碳复合材料具有成本低，较高理论容量以及合成方法多样，是一种有前景的锂离子电池正极材料，受到研究者的广泛关注。目前常用的合成金属硫化物/碳复合材料的方法为水热法和溶剂热法，

但现有方法及金属硫化物/碳复合材料具有以下问题：

(1)现有的金属硫化物/碳复合材料是在高温高压反应下生成，形貌大小并不均匀，结晶度不高，复合材料结合不够紧密。

(2)现有的硫化铜/碳复合材料，碳框架的结构不足以满足金属硫化物在电化学反应中发生的体积膨胀，导致电极粉化以及金属硫化物和碳易脱落分离，使得材料电化学性能降低。

(3)水热法和溶剂热法的硫源一般为有机硫，易产生污染气体和副产物，而且在高温高压条件下，对设备要求高且工艺复杂。

（4）传统工艺利用水热，固相混合等方法将金属相与导电相进行混合，金属与碳不存在化学键作用，这导致金属分布不均匀，容易团聚，材料理化均一性较差，直接导致电池均一性较差。

（5）现有的硫化铜/碳复合材料，虽然对多硫离子的穿梭问题有一定程度的解决，但仍然没有达到预想值，说明利用硫化铜/碳复合材料来抑制多硫离子的穿梭问题依然有潜力可挖。

发明内容

为了解决以上问题，本发明利用自制的镍掺杂铜基金属有机框架材料硫化碳化制备成含Ni的CuS/C 复合材料，原位制备的碳复合不仅使得材料形貌更加均匀，材料结合更加紧密，而且可以提升材料的结晶程度；硫粉硫化方法不仅方法简单，成本低，而且产生的污染气体和副产物少；含Ni的CuS/C 复合材料可以有效利用双金属元素吸纳多硫离子，有效降低多硫穿梭、体积膨胀、容量衰减及形貌不均等问题，且可以提高材料导电性，综合提升锂硫电池的储能性能。

本发明的含Ni的CuS/C复合材料的制备方法，所述含Ni的CuS/C复合材料形貌为八面体，其制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备铜镍离子混合液：采用铜金属盐溶液和镍金属盐溶液混合获得，所述铜金属盐和镍金属盐可为硝酸盐、硫酸盐、氯化物，所述铜金属盐和镍金属盐应为同类金属盐，制备的铜镍离子混合液中Cu²⁺和Ni²⁺摩尔比值为1: 1~3；