[发明专利]一种ZnS-SnS@3DC复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种ZnS‑SnS@3DC复合材料及其制备方法和应用，所述ZnS‑SnS@3DC复合材料由具有异质结构的ZnS‑SnS纳米晶嵌入由金属有机骨架ZIF‑8碳化得到的氮掺杂的三维多孔碳骨架中复合而成，ZnS‑SnS@3DC复合材料作为锂离子电池或钠离子电池的负极材料，ZnS‑SnS异质结构纳米晶嵌入氮掺杂的三维多孔碳，能够更好地限制ZnS‑SnS的体积膨胀，从而保证活性物质在脱嵌锂或钠的过程中的结构稳定性，进而提升其电化学性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，涉及一种ZnS-SnS@3DC复合材料及其制备方法和应用，特别涉及一种由异质结构的ZnS-SnS和3DC(三维多孔碳)复合而成的ZnS-SnS@3DC复合材料、制备方法及其作为锂离子电池和钠离子电池负极材料的应用。

背景技术

在当代社会，环境问题日益加剧，可循环使用的储能设备受到重视。在众多的储能设备中，锂离子电池(LIBs)由于其高的能量密度，长的循环寿命而受到关注，并在科研人员的不断努力下已经应用于生活中的方方面面，像电动汽车、随身移动设备、甚至大型的储能系统等。随着科技日益发展，人们生活水平质量提高，高能量密度的电池需求也越来越高，除了继续加强锂离子电池的研究外，人们也在积极寻找其它种类的可循环电池。这种情况下，在地球上具有很高储存量的钠元素就受到了人们的关注，地球上钠元素的储存量位于所有元素的第四位，丰富的储量使得钠离子电池有广阔的发展前景。在锂离子电池发展的基础上，人们对性质相近的钠离子电池(NIBs)也展开了研究。但钠离子半径比锂离子大得多，性质也不完全相同，虽然有着更合适的氧化还原电位，但反应动力学更为缓慢。锂离子电池和钠离子电池负极材料都有一定的局限性，为了使充放电比容量，循环寿命、及倍率性能更好，寻找更加合适的锂和钠离子电池负极材料都十分有必要。

近年来，金属硫化物应用于电池中已经被证实具有较好的电化学性能。金属锡及其化合物是一种很有前景的电极材料，它本身无毒、资源丰富、安全稳定且价格便宜，而且性能良好，具有高比容量。SnS，ZnS作为锂电池和钠电池负极材料理论容量分别为1136mA hg^-1和1022mA h g^-1,962mA h g^-1和981mA h g^-1。虽然它们具有较高的理论容量，但是在嵌入锂或钠离子的过程中都会出现体积膨胀的问题，导致活性物由集电极上脱落，电池循环稳定性变差。

发明内容

为了解决现有金属硫化物在锂离子电池或钠离子电池应用中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种ZnS-SnS@3DC复合材料及其制备方法和应用，ZnS-SnS异质结构纳米晶嵌入氮掺杂的三维多孔碳，能够更好地限制ZnS-SnS的体积膨胀，从而保证活性物质在脱嵌锂或钠的过程中的结构稳定性，进而提升其电化学性能。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种ZnS-SnS@3DC复合材料，由具有异质结构的ZnS-SnS纳米晶嵌入由金属有机骨架ZIF-8碳化得到的氮掺杂的三维多孔碳骨架中复合而成。

本发明的ZnS-SnS@3DC复合材料中，ZnS-SnS异质结构纳米晶嵌入三维多孔碳，能够更好地限制ZnS-SnS的体积膨胀，从而保证活性物质在脱嵌锂或钠的过程中的结构稳定性。

优选的，所述ZnS-SnS@3DC复合材料中，Sn和S的质量比为3.6：1，Sn和S的总质量占复合材料总质量的比为25～65％；进一步优选为40～60％。

本发明还提供了上述ZnS-SnS@3DC复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)保护性气氛下，将金属有机骨架ZIF-8进行碳化得到氮掺杂的三维多孔碳骨架；

(2)真空密闭环境下，将Sn粉、S粉和氮掺杂的三维多孔碳骨架的混合物进行煅烧得到ZnS-SnS@3DC复合材料。