一种电极材料及其制备方法与锂离子电池

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种电极材料及其制备方法与锂离子电池。

背景技术：

1、随着社会的飞速发展，以新能源为关键技术的应用也逐步发展壮大，这其中包括了航空航天、军事、医疗、代步电车等。但是新能源存在着时空分布不均的问题，储能为“削峰填谷”提供了较为理想的解决方案。因此，寻找具有高能量密度的储能装置是未来发展的主要趋势。在各种电化学储能装置中，锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、低污染等优点得到了广泛的研究。如今，石墨型碳负极材料已广泛应用于商用锂离子电池中。然而，石墨的理论比容量(372mah·g-1)较低，无法实现一些现代电子设备所需要的高能量密度。高比容量、高安全性的负极材料的探索与开发已成为锂离子电池领域的研究热点。

2、金属硫化物作为可充电锂离子电池的活性材料，相比于传统石墨负极具有更高的比容量和更高的操作安全性，引起了广泛的研究。如硫化铁、硫化锡和硫化铋。特别是硫化铋，作为一种具有嵌套式的间接带隙半导体，带隙为1.3ev，这种层状结构可以提供安全的锂插层电位(0.5-0.8v vs.li)和625mah/g的质量比容量，被认为是锂离子电池优秀的候选者之一。但是，在研究硫化铋负极锂离子电池储存应用时，还存在一些问题，包括循环过程中体积变化过大，电子导电率过低，充放电过程中多硫化物中间体的析出溶解在电解质中导致负极材料的利用率低、容量的快速衰减。

3、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电极材料及其制备方法与锂离子电池，旨在解决现有电极材料在循环过程中体积变化过大以及电子电导率过低的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种电极材料，所述电极材料包括硫化铋、包覆在所述硫化铋表面的碳层、包覆在所述碳层表面的氮层以及包覆在所述氮层表面的氮碳层。

4、优选的，所述硫化铋的形貌为球形，所述硫化铋的直径为1-2μm。

5、优选的，所述碳层的厚度为5-10nm。

6、优选的，所述氮层的厚度为5-10nm。

7、优选的，所述氮碳层的厚度为10-20nm。

8、优选的，所述氮碳层中，氮与碳的质量比为0.2。

9、本发明的第二方面，提供一种电极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

10、制备硫化铋；

11、将所述硫化铋与碳源溶于第一溶剂中，依次进行水热处理和第一退火处理，使得碳包覆在所述硫化铋表面，记为c@bi2s3；

12、将所述c@bi2s3与氮源溶于第二溶剂中，依次进行第一沉积处理和第二退火处理，使得氮包覆在所述c@bi2s3表面，记为c-n@bi2s3；

13、将所述c-n@bi2s3溶于第三溶剂中，调节ph值至7.5-9.5后，再添加氮碳源，依次进行第二沉积处理和第三退火处理，使得氮碳包覆在所述c-n@bi2s3表面，得到所述电极材料，记为c-n-nc@bi2s3。

14、优选的，所述碳源选自葡萄糖、乙酸钠、甲醇中的一种或多种；

15、所述氮源选自尿素、氮化硼、氰化物中的一种或多种；

16、所述氮碳源选自三聚氰胺、乙二胺、盐酸多巴胺中一种或多种；

17、所述第一溶剂、第二溶剂与第三溶剂各自独立地选自去离子水或乙醇。

18、优选的，所述水热处理的温度为120-150℃，水热处理的时间为10-12h；

19、所述第一退火处理的温度为400-500℃，第一退火处理的时间为1-5h；

20、所述第二退火处理的温度为400-500℃，第二退火处理的时间为1-5h；

21、所述第三退火处理的温度为400-500℃，第三退火处理的时间为1-5h；

22、所述第一沉积处理与第二沉积处理的方法各自独立地选自旋涂、浸渍、喷涂中的一种。

23、本发明的第三方面，提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括负极材料，所述负极材料包括上述的电极材料或采用上述的制备方法制备得到的电极材料。

24、有益效果：本发明提供一种电极材料及其制备方法与锂离子电池，本发明在硫化铋表面依次包覆碳层、氮层和氮碳层，形成电极材料，其中，碳层作为骨架支撑可以有效缓解硫化铋在充放电时巨大的应力，减少硫化铋的体积变化，从而提升硫化铋的循环稳定性；氮层能有效减少硫化铋与电解液的副反应，从而降低电池的自放电率和提高能量密度，使电池具备更加稳定持久的寿命；氮碳层可提升充放电过程中的电荷转移速率，并有助于硫化铋在反复锂化/脱锂过程中提高电导率和结构稳定性。

技术特征：

1.一种电极材料，其特征在于，所述电极材料包括硫化铋、包覆在所述硫化铋表面的碳层、包覆在所述碳层表面的氮层以及包覆在所述氮层表面的氮碳层。

2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述硫化铋的形貌为球形，所述硫化铋的直径为1-2μm。

3.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述碳层的厚度为5-10nm。

4.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述氮层的厚度为5-10nm。

5.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述氮碳层的厚度为10-20nm。

6.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述氮碳层中，氮与碳的质量比为0.2。

7.一种电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

8.根据权利7所述的电极材料的制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的电极材料的制备方法，其特征在于，

10.一种锂离子电池，所述锂离子电池包括负极材料，其特征在于，所述负极材料包括权利要求1-6任一项所述的电极材料或采用权利要求7-9任一项所述的制备方法制备得到的电极材料。

技术总结本发明公开一种电极材料及其制备方法与锂离子电池，所述电极材料包括硫化铋、包覆在所述硫化铋表面的碳层、包覆在所述碳层表面的氮层以及包覆在所述氮层表面的氮碳层。本发明在硫化铋表面依次包覆碳层、氮层和氮碳层，形成电极材料，其中，碳层作为骨架支撑可以有效缓解硫化铋在充放电时巨大的应力，减少硫化铋的体积变化，从而提升硫化铋的循环稳定性；氮层能有效减少硫化铋与电解液的副反应，从而降低电池的自放电率和提高能量密度，使电池具备更加稳定持久的寿命；氮碳层可提升充放电过程中的电荷转移速率，并有助于硫化铋在反复锂化/脱锂过程中提高电导率和结构稳定性。技术研发人员：康万达,冯军受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14