[发明专利]一种新型锂硫电池多孔夹层材料、制备方法及应用

说明书

本发明属于材料化学的技术领域，涉及一种新型锂硫电池多孔夹层材料、制备方法及应用，特别涉及一种将ZIF67与石墨烯特殊复合做为锂硫电池多孔夹层材料（interlayer）、制备方法及应用。该夹层材料由ZIF67与RGO两部分组成，ZIF67质量分数为20‑60%，RGO质量分数在40%‑80%。该制备方法通过简单的水热法和机械压缩合成三维（3D）还原氧化石墨烯/金属有机框架（RGO/ZIF67）薄膜，夹在隔板和硫基阴极之间起作用，作为捕获多硫化物物种的功能性夹层。

技术领域

本发明属于材料化学的技术领域，涉及一种新型锂硫电池多孔夹层材料、制备方法及应用，特别涉及一种将ZIF67与石墨烯特殊复合做为锂硫电池多孔夹层材料（interlayer）、制备方法及应用。

背景技术

日趋严重的能源危机与环境问题使人们开始寻找更有效的能源利用方式并积极开发可再生的新能源，从而实现经济的可持续发展。但是由于当前的技术限制，化石燃料仍存在能量利用率低、严重的氮氧化物和硫氧化物的排放问题。因此，新能源（包括风能、核能、太阳能、地热能等）开始被研究得越来越多并且发展迅速。但是此类新能源也有其自身的局限性，如能源的不稳定性，能源的存储问题，地域限制等。所以，目前全球的能源结构仍然是传统的化石燃料为主。

为了解决这些问题，众多科研工作者开始着力研究可再生新型能源的有效转化并开发出有效的能源储存系统。二次电池就是一个非常有效的一种方式来存储新能源体系产生的电能，包括铅酸电池、镍氢电池、镍铬电池以及锂离子电池等。其中，锂离子电池自从20 世纪 90 年代被 SONY 公司首次开发并投产后，就一直是便携电子设备的首选电源，并且占据较大市场份额。但是锂离子电池体系也存在一些问题。首先，锂离子电池体系中的正极材料中的重金属离子对环境有严重的污染。其次，一些锂离子电池，包括 LiCoO₂，LiMn₂O₄与 LiFePO₄等为正极材料的电池，即便是技术发展到能使其达到其理论比容量，也不能满足市场对于电池能量密度的要求。因此，新的环境友好、高能量密度、低成本、长循环寿命的二次电池体系成为科研工作者着力研发的项目，以满足电子设备、电动汽车与智能电网的需求。从 1990 年开始，锂电池就成为了主流电子产品的电源。但是随着市场对电子产品续航能力要求的提高以及环境问题导致的电动汽车研究热潮，众多学者开始研究更高能量密度的电池体系。因此以硫为正极，锂为负极的高能量密度的锂硫电池开始成为研究热点。

Li-S 电池即为最具有竞争力的一种新型高能量密度二次电池体系。一般而言，Li-S 电池是以硫、导电碳和粘结剂混合制成的正极，金属锂为负极，中间隔以不导电但导通离子的高分子隔膜，并使用有机电解液的新型二次电池体系。此外，硫的高能量密度、低成本、环保性等特点使其成为优异的锂电池正极材料。因此，锂硫电池具有极高的理论比容量（1672 mAh g-1）以及3-5 倍的锂离子电池的能量密度（2600 Wh kg-1或者 2800 Wh L-1），并成为下一代最具有竞争力的二次电池体系。其全电池的平均工作电压基本上在 2.1V 左右。但是锂硫电池（Li-S 电池）体系自身的缺陷使其商业化进程受到了极大的限制。其中包括硫和硫的放电终产物的低离子/电子电导，充放电过程中活性物质严重的体积膨胀/收缩，以及反应中产物聚硫化锂（LiPS）溶解于有机电解液并扩散到负极形成的穿梭效应。Li-S 电池在氧化还原反应的过程中，S₈首先被还原为长链可溶于有机电解液的聚硫化物。因此，聚硫化物能够溶解，迁移，并扩散到负极锂片的表面。聚硫化物迁移到负极后能够直接与锂反应，被还原成短链的不溶的硫化物。因此，这部分的硫就会失去活性，不能继续参与反应。此外，短链的硫化物会附着在锂片的表面形成一层薄膜，阻隔锂参与电池的氧化还原反应，降低锂的利用率。这一过程的持续进行便形成了穿梭效应。此效应直接导致电池较差的循环稳定性和较低的库伦效率。