[发明专利]碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料及其制备和在锂离子电池负极材料中的应用。该材料中，硫化锌纳米颗粒与非晶态碳组装成硫化锌@碳异形空心纳米多面体，硫化锌@碳异形空心纳米多面体的结构是由两个立方体交错生长而成，硫化锌@碳异形空心纳米多面体表面包覆有非晶态碳层。该材料的制备方法：首先合成异形ZIF‑8，然后包覆一层RF树脂，再通过一步气相硫化和碳化法获得最终产物。本发明可提高ZnS的电导率和结构稳定性，改善其电化学活性和循环稳定性，使其具有高的放电比容量和良好的循环性能。碳包覆ZnS@碳异形空心纳米多面体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，具体涉及一种碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池具有长循环寿命、高能量密度、绿色清洁等优点，是新能源汽车和便携式电子设备理想的储能设备。负极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一，石墨作为商品锂离子电池的主要负极材料，理论容量只有372mAh g^-1，而且倍率性能较差，已经严重制约了锂离子电池的进一步发展，高性能负极材料的开发已成为锂离子电池研发的重要方向。

硫化锌(ZnS)理论比容量高达963mAh g^-1，且储量丰富、价格低廉、绿色环保，近年来受到广泛关注，是替代石墨的理想材料。公开号为CN110112373A的专利说明书公开了一种将ZIF8硫化后复合石墨烯作为锂离子电池负极材料的制备方法。该专利技术通过制备ZIF8，然后制备ZnS空心MOF材料，再与氧化石墨烯复合得到ZnS空心MOF材料复合石墨烯，制备过程中将ZIF8材料硫化，制备出ZnS纳米颗粒与碳的多孔复合体，同时复合物石墨烯来提高其作为锂离子电池的的导电性能。

ZnS的电子电导率不高，导致其倍率性能差；在脱嵌锂过程中会产生严重的体积膨胀现象，导致比容量衰减迅速，循环稳定性差；这些问题严重阻碍了ZnS在锂离子电池中的实际应用。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料，环保无害、性能优异，且制备方法反应条件温和。

一种碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料，硫化锌纳米颗粒与非晶态碳组装成硫化锌@碳异形空心纳米多面体，所述硫化锌@碳异形空心纳米多面体的结构是由两个立方体交错生长而成，所述硫化锌@碳异形空心纳米多面体表面包覆有非晶态碳层。

所述硫化锌纳米颗粒的尺寸为3-10nm；

所述立方体的边长为1-2μm；

所述非晶态碳层由间苯二酚-甲醛(RF)树脂碳化形成，厚度为3-30nm。

本发明可提高ZnS的电导率和结构稳定性，改善其电化学活性和循环稳定性，使其具有高的放电比容量和良好的循环性能。

本发明还提供了一种所述的碳包覆硫化锌@碳异形空心纳米多面体材料的制备方法，首先合成异形ZIF-8，然后包覆一层RF树脂，再通过一步气相硫化和碳化法获得最终产物，包括步骤：

(1)将CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)溶解于去离子水，加入Zn(CH₃COO)₂·2H₂O，继续搅拌，得到Zn(CH₃COO)₂溶液；将2-甲基咪唑溶解于去离子水得到2-甲基咪唑溶液；在搅拌条件下，将所述2-甲基咪唑溶液倒入所述Zn(CH₃COO)₂溶液中，继续搅拌；然后将所得混合溶液加热至100-200℃，保温12h，进行溶剂热反应；反应结束后冷却至室温，离心分离产物，用甲醇洗涤，60℃干燥，得到异形沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-8(简称异形ZIF-8)；