[发明专利]钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料及其制备方法，以钴基双金属有机框架材料为前驱体，高温热解碳化制得双金属分散均匀的多面体氮掺杂碳复合材料，进一步硒化制得钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料，可作为锂离子电池负极材料。本发明采用绿色、高时效、高产率的方法制备钴基双金属有机框架材料前驱体,有利于规模化制备及实际应用。钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料形貌均一且均匀分散，避免了双金属硒化物团聚的问题，展现出优异的储锂性能，归因于双金属硒化物和氮掺杂碳的均匀复合带来丰富的氧化还原活性位点，促进电化学反应动力学，并抑制体积膨胀，三维多孔结构不仅具有结构稳定性而且有利于电极材料和电解质的充分接触。

技术领域

本发明涉及一种钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

近年来，锂离子电池作为电能和化学能的存储与转换装置越来越受到人们的关注。高性能电极的设计是实现高能量密度锂离子电池的关键，负极材料在很大程度上决定了电池的电化学性能。商用石墨负极由于容量有限(372mAh g^-1)不能满足锂离子电池的要求。因此，探索适用于锂离子电池的高性能负极材料势在必行。金属硒化物因其较高的理论比容量和合适的电位而得到了研究者们的青睐。其中，铁磁性金属(铁、锌、镍)硒化物在金属硒化合物家族中最能展现出成本竞争力，因为该类金属分布广泛，可直接从天然矿石中获取。然而，许多因素包括导电性差、体积膨胀和产物在电解液中溶解及反应等问题限制其在当前电极材料中的实际应用。而碳材料改性、构建双金属硒化物等方法是解决这些问题的有效途径。

碳材料改性不仅可有效地提高金属硒化物的导电性，还可以抑制其体积膨胀。同时，碳材料的本征属性可赋予电极材料附加的有益性质，比如高吸附性可以促进电解液吸附及抑制中间产物的穿梭。此外，由于双金属硒化物的协同作用，双金属硒化物比单金属硒化物具有更多的氧化还原位、更大的晶粒尺寸、更高的离子扩散动力学和更好的导电性。具体的，双金属化合物通常通过晶相界面的协同耦合及相应的原子排列和局部电子结构变化，来促进氧化还原过程中的界面电子转移反应，使金属硒化物暴露更多反应活性位点、促进电化学反应动力学并缓解体积膨胀问题，进而达到提升储锂性能的目的。但现实情况是，由于各组分的物理化学性质和晶格结构不同，设计和合成具有最佳协同作用的双金属硒化物具有很大的难度。针对这一问题，人们投入了大量的精力，利用外延生长、溶液化学过程和合成后修饰等方法开发双金属硒化物。然而，这些合成方法往往较为复杂和费时。高效制备具有超长的循环寿命、高的可逆容量和稳定循环的双金属硒化物和碳的复合材料是一个巨大的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料及其制备方法，利用氢氧化钾辅助合成钴基双金属有机框架材料，解决现有技术合成步骤复杂、费时且产率低的问题。以双金属有机框架材料作为前驱体材料硒化后得到了钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料，以其作为锂离子电池负极材料，提高导电性，抑制体积膨胀，提升储锂性能。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料，为钴基双金属硒化物和氮掺杂碳均匀复合的材料，钴基双金属硒化物颗粒均匀分散在多孔多面体氮掺杂碳基底上，钴基双金属硒化物/氮掺杂碳多面体的大小为600～1000nm，钴基双金属硒化物颗粒的大小为50～200nm；钴基双金属硒化物占复合材料质量的68.5～72.6wt％，氮掺杂碳占复合材料质量的27.4～31.5wt％。

前述钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料，钴基双金属硒化物为铁钴双金属硒化物或锌钴双金属硒化物或镍钴双金属硒化物。

一种钴基双金属硒化物/氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、钴基双金属有机框架的制备：