[发明专利]一种氮掺杂碳包覆的金属硫化物异质结材料、制备方法及电池应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆的金属硫化物异质结材料、制备方法及电池应用。本发明以铋源、钼源和硫源为原料，通过水热反应和煅烧工艺制备得到氮掺杂碳包覆的金属硫化物异质结构p‑MoS₂/n‑Bi₂S₃@NC复合电极材料，材料中异质结的内建电场可以有效提升金属离子的扩散动力学和电子导电性，从而提高电池倍率性能，包覆的碳层可以显著提升材料的结构稳定性。应用其制备的金属离子电池，具有高倍率性能、高比容量性能和稳定长循环性能。本发明还公开了包含上述氮掺杂碳包覆的金属硫化物异质结材料的电池。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂碳包覆的金属硫化物异质结材料、制备方法及电池应用。

背景技术

近年来，可充电锂离子电池因为无记忆效应、高能量密度和长循环寿命等优势，已经广泛应用于3C电子产品和电动汽车等领域。然而，锂离子电池因其正极关键材料(锂、钴等)资源有限、成本逐渐上升而不能满足经济社会大幅增加的储能需求。因此，开发新一代储能器件对于后锂时代可持续的能源存储及转化具有重要意义。研究中发现，钾离子(-2.93V vs.标准氢电极)、钠离子(-2.71V vs.标准氢电极)、镁离子(-2.37V vs.标准氢电极)、钙离子(-2.86V vs.标准氢电极)、铝离子(-1.66V vs.标准氢电极)等均具有比锂离子(-3.04V vs.标准氢电极)更高的还原电势，而且其金属储量丰富、价格低廉。而双离子电池，其正极材料可以选用环保、廉价的石墨类材料，且具有高电压、高安全性等优势。为此，结合其优势，钾基、锂基、钠基、钙基、镁基、铝基等双离子电池在大规模储能领域具有潜在的推广前景。

然而，钾、钠、钙、镁、铝等金属离子的半径比锂离子大，其离子扩散动力学缓慢，并造成宿主材料结构膨胀，导致电池容量的衰减、倍率转换性能不理想和循环寿命短等问题。为此，寻找合适的储能材料对于双离子电池的进一步发展具有重大意义。

现有技术中，已有多种金属硫化物尝试用于金属离子存储，比如：插层型金属Fe、Co、Ni、Mo、W等的硫化物，转化及合金化型金属Sn、Sb、Bi、In等的硫化物。但是，这些单一材料储金属离子后，普遍存在导电性差、反应动力学缓慢、体积膨胀及粉化等情况，从而造成电池容量难以提升、倍率性能差和循环寿命短等问题(Energy Storage Mater.2019,22,66-95)。为了提高金属硫化物作为金属离子存储材料的实用性，对金属硫化物进行复合设计，然后用于金属离子存储成为研究人员的探索方向，例如：对二硫化钼、二硫化亚铁进行碳基材料包覆能够缓解体积膨胀、增强结构稳定性并提高导电性，使得循环稳定性大幅提高，但反应动力学的改善仍然有待提高(Adv.Funct.Mater.2020,30,2001484；EnergyStorage Mater.2019,22,228-234)。通过金属硫化物与金属硫化物或氧化物构筑异质结，如MoS₂/SnS(Nanoscale 2020,12,14689-14698)或Bi₂S₃/Bi₂O₃(ACSAppl.Mater.Interfaces 2018,10,7201-7207)等，利用其形成的内建电场可以有效提高离子扩散及电子导电性，进而提高电池倍率性能。

文献“Improving compactness and reaction kinetics of MoS₂@C anodes byintroducing Fe₉S₁₀ core for superior volumetric sodium/potassium storage”(Energy Storage Mater.2020,24,208-219)报道了一种碳包覆的MoS₂/Fe₉S₁₀异质结用于钠/钾离子存储，得益于异质结内建电场和碳包覆层的协同作用，该电极材料实现了优异的钠/钾离子存储性能，但是其只测试了钠/钾离子半电池，并未进行双离子电池等全电池测试。