[发明专利]一种碳材料与过渡金属化合物的新型复合方法、复合材料及应用

说明书

本发明属于材料复合的技术领域，具体的涉及一种碳材料与过渡金属化合物的新型复合方法、复合材料及应用。该种碳材料与过渡金属化合物的新型复合方法，首先通过水热法合成铁钴MOF前驱体；然后将铁钴MOF前驱体进行高温碳化处理，形成铁钴合金碳纳米管掺杂复合材料；最后将所得铁钴合金碳纳米管掺杂复合材料进行高温硒化处理，得到FeSe₂/CoSe₂@CNT复合材料。该新型复合方法工艺简便且分散性较好，所得FeSe₂/CoSe₂@CNT复合材料应用于钠离子电池上具有较高的比电容量、稳定的倍率性能及较大的赝电容贡献。

技术领域

本发明属于材料复合的技术领域，具体的涉及一种碳材料与过渡金属化合物的新型复合方法、复合材料及应用。

背景技术

随着科技的发展，电子设备生产技术不断提高，锂离子电池广泛应用于储能设备,各种便携式电子设备以及汽车领域等对于储能的要求越来越高，同时随着电子消耗品需求量的变大使得全球有限的锂金属资源消耗得更快。为解决锂离子电池成本高以及锂资源不足的问题，人们一直在研究与它储能机理非常相近的钠离子电池，钠元素资源丰富且廉价,较容易制取，尤其钠元素的标准电极电势(-2.71V)比锂元素的(-3.04V)仅高0.33V，因此钠离子电池具有极大潜力成为新一代储能器件甚至可能取代锂离子电池。但因为钠离子的半径比锂离子半径大，使得钠离子与锂离子相比更难以在同种材料中嵌入与脱出，而过渡金属化合物具有较高的理论比容量,常见的钠离子电池负极材料有过渡金属氧化物、硫化物、硒化物以及碳化物，其制备过程较为简单且资源丰富，具备极大应用前景。

目前过渡金属硒化成为钠离子电池研究的主流，通常为Mo、Ni、Cu、Co、Fe等金属硒化得到的单金属或多金属硒化物，然而作为钠离子电池负极材料时由于充放电过程中嵌钠脱钠而引起材料体积膨胀，结构坍塌，降低了电化学性能。另外单一硒化物导电性比较差，充放电过程中电子传输受到阻碍使参与反应的活性物质降低，从而影响了材料的有效使用率。为解决上述问题，通常会通过制备复合材料或者引入其他组份的形式来改善单一物质的不足，例如引入比表面积较大的碳材料以提高过渡金属复合材料与电解质的接触面积，并且增强导电性能，同时也发挥着其优异的吸附与催化性能，提高其作为钠离子电池应用时的比电容量以及稳定性。

碳材料的应用较为广泛，单独的碳材料作为钠离子电池负极材料应用时通常首次会出现不可逆容量比较大或者放电平台不稳定的问题，但与过渡金属化合物复合后可以优势互补，缓解材料体积的变化，因此过渡金属化合物与碳材料的复合材料是理想的电池负极材料。目前引入碳材料的方法一般包括与碳材料纺丝、研磨、浸泡和喷雾等物理方式，也包括一些在碳材料上原位生长过渡金属化合物或者在其表面包覆聚合物再进一步碳化的方式。目前常见引入碳材料的方法存在一定的不足，例如通过在过渡金属化合物纳米颗粒表面包覆一层碳材料,再经过高温碳化处理得到石墨碳,此种方法由于纳米材料表面包覆的碳材料虽然能提高其作为电池材料应用时的导电性能,但是也降低了纳米颗粒与电解液的接触面积从而降低其活性位点,影响催化反应的活性。此外,通过在碳材料表面负载纳米颗粒形成复合材料，例如石墨烯表面负载过渡金属化合物纳米颗粒，此种方法虽然可以增加材料的反应活性，但是一般需要经过多个步骤合成而使过程变得繁复，进一步加大了工艺难度和繁琐性，而且通常较难使纳米颗粒在碳材料表面均匀分布，难以获得理想的分散性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种碳材料与过渡金属化合物的新型复合方法、复合材料及应用，该新型复合方法工艺简便且分散性较好，所得FeSe₂/CoSe₂@CNT复合材料应用于钠离子电池上具有较高的比电容量、稳定的倍率性能及较大的赝电容贡献。