[发明专利]碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料，所述硫化锌空心纳米多面体通过碳组装成三维立体蜂窝状结构，所述碳是非晶态碳，由聚乙烯吡咯烷酮碳化形成。本发明还公开了所述的碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料的制备方法，首先合成锌的MOF材料ZIF‑8，然后用聚乙烯吡咯烷酮将ZIF‑8密集组装，再通过一步气相硫化加碳化法获得最终产物。本发明可提高硫化锌的电导率、结构稳定性和循环稳定性，使硫化锌具有高的比容量和稳定的循环性能。碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料作为锂离子电池负极材料具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池具有高的能量密度高和长的循环寿命，已在便携式电子设备、新能源汽车等领域广泛使用。锂离子电池的性能主要取决于负极材料。目前石墨是锂离子电池的主要负极材料，其理论容量372mAh g^-1，实际容量已十分接近理论容量，且很难进一步提升，因此石墨已不能满足市场对高容量电源的新要求；此外，石墨的安全性能较差，倍率性能较低，因此目前亟需开发高比容、高安全性的新型负极材料替代石墨。

金属硫化物具有比容量高、安全性好、储量丰富、价格低廉等优点，近年来受到广泛关注。其中，硫化锌理论容量963mAh g^-1，是替代石墨的理想材料，但是硫化锌在充放电过程中体积变化较大，导致容量衰减快，循环稳定性差；电导率较低影响了充放电性能，特别是倍率性能；这些缺点阻碍了硫化锌在锂离子电池中的实际应用。

为改善硫化锌的锂离子电池性能，纳米化和复合高导电材料是两个主要策略。专利CN105355890A公开了一种硫化锌-石墨烯复合锂离子电池负极材料，但是简单复合只能改善硫化锌的电导率，不能有效抑制硫化锌的体积变化，提高其循环稳定性。YongqiangTeng等人报道了火龙果状碳包覆ZnS/C纳米球及其锂离子电池性能(Pitaya-like carbon-coated ZnS/carbon nanospheres with inner three-dimensional nanostructure ashigh-performance anode for lithium-ion battery，Journal of Colloid andInterface Science 554(2019)220-228)，把纳米硫化锌镶嵌在碳球中能够有效抑制其体积变化，但是致密的碳球结构不利于电解液渗入其内部，不利于电化学反应的进行，特别是高倍率电化学反应。

发明内容

针对上述技术问题和本领域存在的不足之处，本发明提供了一种碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料。

一种碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料，硫化锌空心纳米多面体通过碳组装形成三维立体蜂窝状结构。

作为优选，所述硫化锌空心纳米多面体的粒径10-300nm，壳厚2-100nm；

作为优选，所述的碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料中，所述硫化锌空心纳米多面体的质量占比为5％-95％。

作为优选，所述碳为非晶态碳，由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)碳化形成。

本发明还提供了所述的碳组装硫化锌空心纳米多面体蜂窝材料的制备方法，包括步骤：

(1)将Zn(NO₃)₂·6H₂O的甲醇溶液倒入二甲基咪唑的甲醇溶液中，0-50℃下持续搅拌24h，产物离心分离，甲醇洗涤，60℃烘干，得到ZIF-8；