[发明专利]一种3D-NiO/Co3

说明书

本发明涉及一种3D‑NiO/Co₃O₄/CNT/S复合材料的制备方法。该方法通过将三维有序的金属有机框架进行Ni置换，然后自生长碳纳米管，再与S粉复合，即得到3D‑NiO/Co₃O₄/CNT/S复合材料。将本发明所述方法制得的材料用于锂硫电池正极材料，克服了现有技术制备的锂硫电池正极材料中硫的有效负载量低，循环性能不稳定，多硫化物“穿梭效应”效应明显等问题，具有良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种3D-NiO/Co₃O₄/CNT/S复合材料的制备方法及其作为锂硫电池正极材料的应用，属于材料化学领域。

研究背景

锂硫(Li-S)电池由于具有高正极材料理论容量，(1675mAh/g，几乎是现有商业化锂电池正极材料理论容量的五倍)已成为下一代储能系统的理想选择。 Li-S电池的应用广泛，可以克服对化石能源的过度依赖，减少废气排放。然而，Li-S电池的商业应用受到以下几个挑战的阻碍：(1)元素硫的导电性差且最终放电产物Li₂S导致电化学反应动力学迟缓并导致活性材料利用率低；(2)锂化过程中硫的体积膨胀大破坏了阴极结构的完整性，引起活性材料与导电基体电隔离，导致容量衰减快；(3)可溶性多硫化物中间体的扩散引发的“穿梭现象”，导致活性物质不可逆转的损失和锂阳极的腐蚀。为了解决这些问题，新型正极材料的研发迫在眉睫。在这方面，由于高导电性，丰富的孔结构，可调的表面性质和轻质的优点，碳材料已被广泛研究。科研学者探索了各种硫/碳复合材料。如，碳纳米管，石墨烯等碳纤维及其杂化材料，电化学性能显着提高。考虑到碳(非极性)和多硫化物(极性)的不同化学键合性质，多硫化物和sp2结构碳平面之间的相对弱的相互作用被认为不足以固定迁移的多硫化物。因此，人们越来越关注通过功能化改变碳材料的表面性质，例如，氮掺杂，已被证明是增强多硫化物与碳基质相互作用的有效方法。

最近，金属有机骨架(MOFs)衍生的碳材料，具有丰富和可控的孔结构和内在的杂原子掺杂，使用硫作为主体材料，因为它们通过物理包封和化学吸附显示出多硫化物的双重限制作用。典型的MOF，沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)钴，近年来已被广泛研究。前人报道了使用ZIF-8衍生的微孔碳多面体作为硫基质，其表现出高的初始值容量为1500mAh/g，作为电子基质捕获多硫化物，导致良好的循环稳定性。尽管有这些优点，仍有两个方面存在挑战：第一，由于相对较低的石墨结晶度，MOF衍生的碳材料的电导率不够高；第二，MOFs衍生的碳材料由于其高表面能而倾向于聚集在一起，MOFs纳米尺寸的颗粒，不仅导致锂离子迁移缓慢，而且与溶解的多硫化物的接触不充分。

为解决上述两方面问题，构造具有均匀分散在导电中的MOF衍生的碳的复合结构基质有望成为提高电子和锂离子传输能力的有效方法。碳纳米管，一种独特的原子空心管状结构，由sp2组成，众所周知，键合碳原子具有高表面积，优异的导电性，优异的机械性能和良好的柔韧性。此外，碳纳米管提供了具有丰富暴露活性位点的高度可接近的表面，这为构建各种基于碳纳米管的混合结构提供了机会。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种3D-NiO/Co₃O₄/CNT/S 复合材料的制备方法。该方法通过将有序的金属有机框架进行Ni置换，然后自生长碳纳米管，得到3D-NiO/Co₃O₄/CNT/S复合材料。将所述 3D-NiO/Co₃O₄/CNT/S复合材料作为锂硫电池正极材料。本发明克服了现有技术制备的锂硫电池正极材料中硫的有效负载量低，循环性能不稳定，多硫化物“穿梭效应”效应明显，锂硫电池在充放电过程中体积膨胀效应显著等缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种锂硫电池正极材料的制备方法，所述正极材料为3D-NiO/Co₃O₄/CNT/S 复合材料，包括以下步骤：