[发明专利]一种F-N-C复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种F‑N‑C复合材料及其制备方法和在锂硫电池隔膜中的应用。所述F‑N‑C复合材料为氟原子、氮原子共掺杂的多孔碳材料，其氟原子和氮原子分散在多孔碳材料的表面和内部；利用可溶性锌盐和咪唑类配体反应生成金属有机骨架材料前驱体，经过煅烧、氟化处理，得到F‑N‑C复合材料；将所述F‑N‑C复合材料、导电剂和粘结剂分散在有机溶剂中，研磨，再涂覆在锂硫电池隔膜表面，即得锂硫电池改性隔膜。本发明采用杂原子共掺杂，利用氮和氟电负性高的特性，可以诱导碳材料中相邻原子的电荷再分配，改善碳材料的电化学性能的同时，用于锂硫电池改性隔膜，可以提升锂硫电池的电容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种F-N-C复合材料及其制备方法和在锂硫电池隔膜中的应用。

背景技术

随着工业快速发展以及人口的急剧增长，能源危机以及环境污染成为人类面临的主要问题，制约了人类社会的发展。因此，人们对新能源以及绿色科技的要求越来越迫切。比容量高，安全稳定性好以及环境友好型的新型锂离子电池能够很好的满足人们对能源和环境的要求。目前，传统锂离子电池正极材料，如LiMn₂O₄，LiFePO₄等由于其理论比容量的限制，难以在短时间内取得突破，而单质硫的理论比容量高达1675mAh/g，理论能量密度达到2600Wh/kg，比常规电极材料高3-5倍。同时，硫单质储量巨大，价格低廉，并且毒性低。这些优点使得锂硫电池成为新型电池的理想候选。

目前，锂硫电池在研究使用过程中仍然存在一些问题，从而限制其商业化应用。硫的绝缘性抑制了它的电化学活性，充放电过程中体积变化容易破坏电极结构，中间产物溶解扩散至阴极发生反应生成表面沉积，聚硫化物溶解引起穿梭效应导致活性物质减小。这些现象的产生降低了硫的利用率和库伦效率，导致电池容量快速衰减以及使用寿命缩短。针对这些问题，研究发现可以对电池隔膜进行修饰改性，在商业化隔膜上修饰对聚硫化物产生吸附作用的材料，抑制聚硫化物的穿梭效应，使之尽可能的限制在隔膜的一侧。实验结果证明，修饰改性后的隔膜极大的提高了锂硫电池的实际比容量以及循环稳定性。

设计隔膜修饰改性的涂层材料，应具有大比表面积以及良好的孔隙结构，同时能够物理或者化学吸附聚硫化物。金属有机骨架材料作为一种新型的多孔材料，具备了大比表面积以及良好的孔隙结构的特点。而以金属有机骨架材料作为前驱体制备的碳材料能够很好的继承其大比表面积以及高孔隙率的特点。

中国专利CN108807798A公开了一种基于金属-有机框架材料的复合电池隔膜及其制备方法和应用，采用将金属-有机框架材料前驱体与二维材料或聚合物材料复合，制得金属-有机框架材料的复合电池隔膜，该专利中是将制备的金属-有机框架材料直接与聚合物混合后进行涂覆得到电池隔膜，其中金属-有机框架材料中金属和配体相互紧密结合，其官能团之间也会相互影响，用于电池隔膜时会影响电池隔膜的化学吸附，对穿梭效应不能进行有效的改善。

发明内容

为了解决现有技术中锂硫电池循环稳定性较低的缺陷，本发明提供一种杂原子均匀分散，比表面积大以及孔隙率高的F-N-C复合材料及其制备方法和在锂硫电池隔膜中的应用。

技术方案：

一种F-N-C复合材料，为氟原子、氮原子共掺杂的多孔碳材料，其氟原子和氮原子分散在多孔碳材料的表面和内部。

一种所述的F-N-C复合材料的制备方法，利用可溶性锌盐和咪唑类配体反应生成金属有机骨架材料前驱体，再经过煅烧、氟化处理，得到F-N-C复合材料。

具体包括如下步骤：

(1)将可溶性锌盐溶解于溶剂a中，得到溶液A；将咪唑类配体溶解于溶剂b中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合，搅拌、清洗、干燥后，得到金属有机骨架材料前驱体；