[发明专利]一种应用于电池隔膜涂层的多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明的目的在于提供一种应用于电池隔膜涂层的多孔碳材料及其制备方法和应用，属于电化学的新材料的技术领域。其制备方法包括如下步骤：1）取腺嘌呤、4,4‑联苯二羧酸分别溶解备用；2）取乙酸锌、乙酸钴、十六烷基三甲基溴化铵混合，得混合物A；3）取混合物A、碳纳米管溶液、甲醇以及去离子水混合搅拌，得混合物B；4）将混合物B进行离心，得灰色粉末，将灰色粉末洗涤之后干燥得到MOF‑CNT复合材料；5）将步骤4）制得的MOF‑CNT复合材料在氮气氛围下进行煅烧，即得Co‑NCN‑CNT复合材料。本发明的Co‑NCN‑CNT复合材料应用于锂硫电池中，可以有效的催化多硫化锂的转化，从而抑制穿梭效应，极大提高电池的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于电化学新材料的技术领域，具体涉及一种应用于电池隔膜涂层的多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车行业、便携电子设备行业蓬勃发展，以及各种清洁能源如风能，太阳能，潮汐能的更大规模应用，锂离子电池已经很难满足下一代高能量密度可充电储存系统的需求。锂硫电池由于具有高的理论能量密度（2600Wh/Kg）和高理论比容量（1675mAh/g），并且作为正极材料的硫储量丰富且经济，这些优点都让锂硫电池成为目前最具开发前景的二次电池体系之一。但是锂硫电池距离传统的商业应用还有很长一段距离，第一，硫和硫在电池反应中生成的硫化锂都是绝缘的，从而导致活性物质利用率很低以及氧化还原动力学缓慢；第二，反应过程产生的多硫化锂溶解在电解液中产生不必要的寄生反应以及锂支晶的产生都会严重地影响电池性能甚至导致电池死亡。目前锂硫电池存在的活性物质利用率低、循环寿命低、倍率性能差和安全性低等问题都严重阻碍其应用。针对这些问题，科学家们在正极、隔膜、电解液方面都进行了相应的探索，从而改进锂硫电池的循环性能。其中设计新型功能隔膜可以有效且减缓多硫化锂的穿梭效应，从而大幅提升电池的循环性能。因此开发出一种制备工艺简单、原材料丰富且经济、导电性好且可以有效抑制穿梭效应的隔膜涂层便极具有实际意义。然而，现阶段发展起来的膜材料虽然有很多结合了物理吸附、化学催化和良好的导电性，但是在硫载量很大和大电流密度下，电池无法发挥优异的长循环性能和高初始放电比容量。此外，它们的原材料往往价格不具竞争力，合成方法也很复杂。

近年来，金属有机骨架(MOFs)和以MOFs为前驱体的碳材料作为新型的硫载体和功能膜涂层材料在锂电池中得到了广泛的研究。MOFs是由无限排列的金属离子/团簇节点和有机链接体组成的晶体材料，其比表面积大，尺寸和孔径可调，备受人们的关注。MOFs的孔洞可以搭载化学活性位点，例如路易斯酸位点和功能有机官能团，这些都可以对硫和多硫化锂有吸附作用，而以MOFs为前体的碳材料不仅保留了活性位点而且提高了材料的导电线和降低了重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于电池隔膜涂层的多孔碳材料，其为含有Co和N的多孔碳材料Co-NCN-CNT复合材料，其富含Co和N元素。

本发明还提供了应用于电池隔膜涂层的多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1）取腺嘌呤、4,4-联苯二羧酸分别溶解备用；

2）取乙酸锌、乙酸钴、十六烷基三甲基溴化铵混合，得混合物A；

3）取混合物A、碳纳米管溶液、甲醇以及去离子水混合搅拌，将反应原料和碳纳米管充分混合、反应，得混合物B；

4）将混合物B进行离心，得灰色粉末，将灰色粉末洗涤，通过洗涤洗去未反应的杂质，之后干燥得到MOF-CNT复合材料；

5）将步骤4）制得的MOF-CNT复合材料在氮气氛围下进行煅烧，通过在惰性气氛下碳化，得到钴、氮掺杂的多孔碳材料，即得产品Co-NCN-CNT复合材料。

其中，步骤1）中所述溶解的使用试剂包括N,N-二甲基甲酰胺（DMF），使得有机配体腺嘌呤和4,4-联苯二羧酸充分溶解，使得反应原料充分溶解；