[发明专利]一种自支撑结构碳纳米纤维复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自支撑结构碳纳米纤维复合材料及制备方法与应用；具体为一种自支撑结构SnS‑MOF‑CNFs负极材料及制备方法与应用，综合了静电纺丝法相关技术和金属有机骨架的相关材料，以PAN为基体由静电纺丝法制备的纳米纤维材料直径在150nm左右，在经过280℃预氧化后再由650℃高温碳化后再在石英管上游加入硫脲。在氮气氛围下烧制4h制备的SnS‑MOF‑CNFs的负极材料。研究自支撑结构SnS‑MOF‑CNFs负极材料的电化学性能，对比和分析了Sn‑MOF‑CNFs、Sn‑CNFs、SnS‑CNFs的电化学差异，通过实验对比结合发现，SnS‑MOF‑CNFs具有优秀的电化学性能，在100mA/g的电流密度，电压区间从0.005V到3V的情况下循环100次仍能够达到700mAh/g的比容量。对比其他实验稳定后的数值较高。

技术领域

本发明属于化工材料制备技术领域，具体涉及一种自支撑结构SnS-MOF-CNFs负极材料及制备方法与应用。

背景技术

在过去的几十年里，环境污染和全球能源短缺一直是全人类面临的问题。因此，能量转换和储存发挥着越来越重要的作用。从这个角度来看，锂离子电池是最重要的高效储能设备之一。除此之外，锂离子电池在世界各地的各个领域都得到了广泛的应用。为了开发高性能、长寿命的锂离子电池，锂离子电池的开发受到了研究人员的广泛关注。然而，锂离子电池的电化学性能仍然不够好。因此，有必要开发一种比容量高、循环寿命长的优良阳极材料。

碳基材料目前是在商业化中最常见的材料，石墨材料占据主导地位，传统的石墨材料，锂离子电池作为负极材料时理论比容量为较低，但是石墨烯和硬碳材料制备的成本较为高昂，制备过程也非常的复杂。最近几年，许多的锡基材料被用于锂离子电池的负极材料，但是锡基材料在充放电过程中，生成不同的Li-Sn合金时都会产生极大的体积膨胀，破坏材料的结构，降低电池的循环寿命。而单质锡在锂离子电池中很容易出现团聚现象，更会造成较小区域的体积迅速膨胀，造成小范围区域内应力集中，使得锂离子电池在可逆循环几圈后容量迅速的下降。

与传统的插入电极材料相比，金属硫化物(TMS)被认为是一种有吸引力的锂离子电池材料。SnS和MoS2等TMS由于M-S键较弱，具有更好的循环稳定性和更高的理论比容量。在各种金属硫化物阳极中，SnS以其独特的结构和宽的层间距离而突出，这可以为电子和锂离子提供快速传输通道。然而，SnS具有较低的固有电子导电性和巨大的体积变化(约300％)，这会导致容量的快速衰减。锡阳极在合金化/脱合金反应过程中通常会连续粉碎。

发明内容

本发明在碳基体中嵌入SnS，其中以掺杂其他金属元素对碳材料储锂性能有明显的影响，属有机骨架(MOF)具有高比表面积、高孔隙率和可调节的组成等优点，也在锂离子电池负极材料当中拥有超稳定结构和循环稳定性能。本发明通过碳基体和MOFs材料有效限制了体积膨胀。传统的石墨材料，锂离子电池作为负极材料时理论比容量为较低；本发明使用了SnS，以其独特的结构和宽的层间距离而突出，这可以为电子和锂离子提供快速传输通道，提供了较高的理论比容量。

为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种SnS-MOF-CNFs负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：SnSO₄溶液制备：将SnSO₄加入去离子水中进行搅拌，其中SnSO₄与去离子水的比例为1:400；

S2：NaOH、C₈H₆O₄混合溶液制备：将NaOH、C₈H₆O₄加入去离子水及DMF中进行搅拌；其中NaOH:C₈H₆O_4:去离子:DMF＝2:1:25:25；