[发明专利]碳点调控的金属硫化物/金属单质-碳复合材料及其制备方法和在锂/钠离子电池中的应用

说明书

本发明提供了一种碳点调控的金属硫化物/金属单质‑碳复合材料及其制备方法和在锂/钠离子电池中的应用，利用碳点作为氧化剂、还原剂和小分子碳基材料，以金属硫化物作为原料，制备金属硫化物/金属单质‑碳复合材料，实现了金属硫化物的不同程度还原和碳基材料的掺杂。通过调节碳点和金属硫化物的质量比，可实现不同金属单质和碳含量的调节，以满足库仑效率高、稳定性好和倍率性能优异等需求。本发明的制备方法简单、原料富足，为材料结构优化提供了一种普适又高效的方法。

技术领域

本发明涉及金属硫化物负极材料制备技术领域，更具体地，涉及一种碳点调控的金属硫化物/金属单质-碳复合材料及其制备方法和在锂/钠离子电池中的应用，同时涉及提高金属硫化物首次库伦效率的方法。

背景技术

如今，能源危机和环境问题成为时代发展热点。由于清洁能源的间歇性和多样性，大规模储能系统的实现依赖于高能量、高功率密度和低成本的电能存储设备，而碱金属离子电池由于其便携、节能、环保等优点成为了下一代能源技术的主要选择。金属硫化物材料作为一种高容量的碱金属离子电池负极材料，其工作电压适中，应用潜力非常大。

硫化锑(Sb₂S₃)的理论比容量高达946mAh/g，其储能机制包括插层反应、转化反应、合金化反应。与其他锑基材料相比，Sb₂S₃负极材料具有显著的储能优势。以合金反应为主的Sb和以转化-合金反应为主的Sb₂S₃相比，其理论比容量较低(660mAh/g)，并且Sb在合金化反应过程中体积膨胀严重，极大影响了材料的循环寿命。Sb₂S₃在转化反应过程中会生成Li₂S，它能够缓冲一定的体积膨胀，进而提升电化学性能。Sb₂S₃种的硫原子能改善材料的柔韧性，同样有缓冲体积膨胀的作用。虽然Sb₂O₃具有较高的理论比容量(1109mAh/g)，但是，Sb₂O₃中的Sb-O的键能比Sb₂S₃中的Sb-S的键能更强，这降低了Sb₂O₃与Li⁺的转化反应动力学。与硫化物中金属离子可逆的嵌入/脱出过程相比，氧化物与金属离子反应的可逆性差，容量衰减较快。

辉锑矿作为Sb₂S₃的天然矿物材料，直接取材于自然，成本低廉、破碎工艺简单，可以用来替代化工合成的Sb₂S₃材料，发展成为环境友好型先进电池负极材料。然而天然辉锑矿颗粒具有粒度大、电子迁移速率缓慢，以及充放电过程中体积膨胀严重、多硫化物的“穿梭效应”等缺陷，因此需要通过进一步处理才能实现辉锑矿产品的储能价值，从而达到战略资源利用率最大化的目标，实现环保型新能源材料的大规模推广。

发明内容

基于此，本发明的目的之一在于提供一种碳点调控的金属硫化物-金属单质-碳复合材料的制备方法，该方法将金属硫化物作为前驱体，碳点作为氧化剂、还原剂和小分子基模板，二者在保护气氛下进行反应，得到金属硫化物-金属单质-碳复合材料，该复合材料可有效降低离子迁移能垒，加快电荷传输，应用于电池中，有助于实现电池的持久、稳定、快速充放电能力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种碳点调控的金属硫化物/金属单质-碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将金属硫化物与碳点混合，然后置于惰性气氛中，在300～1200℃下进行煅烧，冷却，得到金属硫化物/金属单质-碳复合材料。

在一些实施方式中，所述金属硫化物为硫化锑、硫化锡、硫化铋中的至少一种。