一种具有异质结结构的CoS-SnS-NC复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种具有异质结结构的CoS

【技术实现步骤摘要】
一种具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池电极材料
，更具体地，涉及一种具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池已经是各种便携式电子产品和电动汽车的主要动力。然而，金属锂的价格比较昂贵，锂离子电池生产成本较高，且地壳中锂的储量比较有限，导致其不能满足储能设备日益增长的需求。由于金属钠储量丰富，分布广泛，成本低廉以及与锂离子电池相似的电化学性能，钠离子电池被认为是一种有希望的替代品；然而，由于钠离子半径较锂离子要大，钠离子在负极中的嵌脱较锂离子要困难，表现出较低的储钠容量和循环稳定性。因此，开发一种高性能钠离子电池负极材料成为钠离子电池发展的关键。锡基硫化物是电池领域的热门负极材料，因其具有较高的理论比容量，以锡基材料作为钠电池的负极材料在理论上应该具有良好的比容量。但实际上锡基材料在钠存储中迟滞的反应动力学问题，导致了其比容量低，循环稳定性差，这极大地阻碍了锡基材料作为钠离子电池负极的发展。因此，开发比容量高，循环稳定性好以及长循环寿命的锡基硫化物显得非常重要。
[0003]中国专利CN106099069B公开了一种钠离子电池负极SnS/C复合材料及其制备方法，该方法为：将硫化锡溶解于介质溶液中，加入有机碳源，继续搅拌分散均匀，干燥得到SnS/C复合材料的固体粉末前驱体，再煅烧得到多孔SnS/C复合材料。该专利技术制备的复合材料中的硫化锡具有颗粒大小可控的纳米结构，表面包覆的碳层疏松多孔，非常有利于离子和电子传输。结果表明，该复合材料用于钠离子电池负极材料，在电流密度为3A/g下首次比容量达620mAh/g以上，200次循环后比容量保持率大于90％。但是常规单组分金属硫化物存在导电性差、在充放电过程中体积变化大、离子传输路径长等问题，导致其储钠比容量低，倍率性能差及循环寿命短等缺陷，该专利技术的钠离子电池负极复合材料200次循环后比容量就损失了10％，循环稳定性差。
[0004]因此，开发一种比容量高，循环稳定性好以及长循环寿命的钠离子电池负极材料显得非常重要。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料，解决锡基材料在反应过程中迟滞的反应动力学问题，提高其电化学性能和循环稳定性。
[0006]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料，所述复合材料以CoS/SnS异质结结构为核，以氮掺杂碳层为壳；所述复合材料为球状结构，粒径为0.8～1.2μm。
[0008]本专利技术的CoS
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SnS
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NC复合材料具有异质结结构，异质结结构可以引入内电场，提
高电子电导率和离子扩散动力学，进而有利于电子和离子的传输。此外，本专利技术的CoS
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SnS
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NC复合材料具有球状微/纳结构，核体的CoS/SnS为纳米颗粒，外层由氮掺杂碳层包覆，形成微米尺寸的球体；微/纳结构不仅可以缩短钠离子的扩散距离，提供更多的储钠活性位点；同时，CoS/SnS纳米颗粒外层由氮掺杂碳层包覆形成微米球体，可以减少CoS/SnS纳米颗粒的大量团聚，从而使得CoS/SnS材料能够最大程度地浸润在电解液中，减少离子的扩散路径。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料的制备方法。
[0010]具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0011]S1.将硝酸钴、尿素和氟化铵溶解在溶剂中，在120℃下水热反应12h，经过离心、洗涤和干燥后得到Co前驱体；
[0012]S2.将步骤S1所得的Co前驱体分散在无水乙醇中，加入硫代乙酰胺和四氯化锡，在120～160℃下进行溶剂热反应，反应时间6～24h，经过洗涤、干燥后得到Co3S4@SnS2复合颗粒；
[0013]S3.将步骤S2所得的Co3S4@SnS2复合颗粒超声分散于三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，再加入盐酸多巴胺搅拌反应，经过洗涤、干燥后得到Co3S4@SnS2‑
PDA；
[0014]S4.将步骤S3所得的Co3S4@SnS2‑
PDA置于惰性气氛中在进行高温反应，反应时间为1～5h，冷却至室温后即得到具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料。
[0015]本专利技术制备方法中，步骤S1以硝酸钴、尿素和氟化铵为原料，通过水热法合成了Co前驱体；尿素作为沉淀剂，通过尿素水解生成的OH
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、CO2与硝酸钴反应；尿素溶液在加热条件下缓慢发生水解，可以避免溶液中反应物的浓度突然增大，可以与硝酸钴充分混合均匀，确保在整个溶液中均匀反应生成沉淀；氟化铵作为催化剂，加速尿素的水解，调节反应的反应速率。步骤S2将Co前驱体、硫代乙酰胺和四氯化锡进行溶剂热反应得到Co3S4@SnS2复合颗粒；步骤S3将聚多巴胺(PDA)层包覆在制备的样品上，形成Co3S4@SnS2‑
PDA；步骤S4在Ar的保护下进行高温反应，得到CoS
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SnS
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NC，在高温过程中，PDA在高温中生成的碳作为反应还原剂还原Co3S4和SnS2，主要反应包括部分Co3S4转化为CoS、SnS2转化为SnS的化学反应。
[0016]优选的，步骤S1中，所述硝酸钴、尿素和氟化铵的摩尔比为1～2:2～6:1～4。
[0017]优选的，步骤S2中，所述Co前驱体、硫代乙酰胺和四氯化锡的质量比为1:2～12:1～7；更优选的，所述Co前驱体、硫代乙酰胺和四氯化锡的质量比为1:4:3.5。
[0018]优选的，步骤S2中，所述溶剂热反应的温度为140～160℃，反应时间为8～16h。
[0019]优选的，步骤S3中，所述超声分散的时间为10～20min，Co3S4@SnS2复合颗粒和盐酸多巴胺的质量比为1:1～2。
[0020]优选的，步骤S4中，所述高温反应的温度为500～600℃，反应时间为2～3h。
[0021]本专利技术的再一目的在于提供所述制备方法制备的具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料在制备钠离子电池负极材料中的应用。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：
[0023](1)本专利技术制备方法制备的CoS
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SnS
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NC复合材料具有球状微/纳结构，微/纳结构不仅可以缩短钠离子的扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料，其特征在于，所述复合材料以CoS/SnS异质结结构为核，以氮掺杂碳层为壳；所述复合材料为球状结构，粒径为0.8～1.2μm。2.权利要求1所述的具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1.将硝酸钴、尿素和氟化铵溶解在溶剂中，在120℃下水热反应12h，经过离心、洗涤和干燥后得到Co前驱体；S2.将步骤S1所得的Co前驱体分散在无水乙醇中，加入硫代乙酰胺和四氯化锡，在120～160℃下进行溶剂热反应，反应时间6～24h，经过洗涤、干燥后得到Co3S4@SnS2复合颗粒；S3.将步骤S2所得的Co3S4@SnS2复合颗粒超声分散于三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，再加入盐酸多巴胺搅拌反应，经过洗涤、干燥后得到Co3S4@SnS2‑
PDA；S4.将步骤S3所得的Co3S4@SnS2‑
PDA置于惰性气氛中在进行高温反应，冷却至室温后即得到具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料。3.根据权利要求2所述的具有异质结结构的CoS
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SnS
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NC复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硝酸钴、尿素和氟化铵的摩尔比为1～2:2～6:1～4。4.根据权利要求2所述的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启明，万淑云，
申请(专利权)人：多助科技武汉有限公司，
类型：发明
国别省市：