[发明专利]含ZIF67衍生复合碳材料锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池

说明书

本发明公开了含ZIF67衍生复合碳材料锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池。制备方法包括：以ZIF67为前驱体，经高温烧结碳化为具有金属Co颗粒嵌入的氮掺杂分级孔碳材料，采用高温硫化方法将复合多孔碳材料中的Co硫化为CoS₂。锂硫电池正极活性材料的制备方法包括：按质量比1:4称取上述复合碳材料和单质硫，采用熔融法将单质硫熔渗到多孔碳材料内部，正极极片由质量比为80:10:10的锂硫电池正极活性材料、超导碳、粘结剂LA133制成。锂硫电池主要由上述正极极片、隔膜、电解液、金属锂负极极片组装而成，得到的锂硫电池具有优异的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于碳材料及锂硫电池制备技术领域，涉及一种极性纳米无机物/多孔碳复合材料、锂硫电池正极材料及其制备方法，以及采用该锂硫电池正极活性材料制成的正极极片和锂硫电池。具体是涉及含ZIF67衍生复合碳材料锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池。

背景技术

锂硫电池由于具有高比能量、低成本和环境友好等特点而受到广泛关注。然而，在锂硫电池的实际应用过程中，仍有一些科学技术问题亟待解决，如单质硫较差的导电性问题，单质硫在充放电过程中的体积膨胀问题，以及放电中间产物聚硫离子的飞梭效应问题等。结合目前文献报道，极性金属硫化物不仅对聚硫离子有较强的化学吸附作用，还能降低长链多硫化锂向短链多硫化锂转变所需的活化能，催化电池电化学反应，有效缩短聚硫离子在电解液中停留的时间，从而抑制飞梭效应。

但是，单纯的金属硫化物通常不能提供较大的孔体积用于存储单质硫，因此，构筑多孔碳材料与金属硫化物的复合材料做为锂硫正极载硫基体具有极强的应用价值。通过构筑极性纳米无机物/多孔碳复合材料能够有效解决锂硫正极存在的问题，首先，多孔碳材料优异的导电性能够显著提升复合硫正极的导电性，从而保证电化学反应的快速有效进行；其次，多孔结构较大的孔体积能够缓冲单质硫在充放电过程中的体积膨胀，保证电极结构不被破坏；此外，均匀复合在碳材料内部的极性纳米无机物对聚硫离子有较强的化学吸附作用，能有有效抑制聚硫离子的飞梭，从而保证较高的活性物质利用率。

发明内容

本发明提供了含ZIF67衍生复合碳材料锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池，所述的ZIF67衍生的复合碳材料呈分级孔结构，内部均匀镶嵌有极性CoS₂纳米颗粒；该复合碳材料的制备方法主要包括ZIF67前驱体的制备、ZIF67的碳化过程、以及高温硫化过程步骤。

本发明提供了一种锂硫电池正极材料活性材料及其制备方法，该正极活性材料选用上述复合碳材料为载硫基体，通过熔融法将单质硫熔渗到分级孔结构内部，用于克服单质硫较差的导电性、体积膨胀及聚硫离子的飞梭效应等问题，制备高性能锂硫电池。

含ZIF67衍生复合碳材料锂硫电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)ZIF67前驱体的制备：按物质的量比1：4分别称取2-甲基咪唑和Co(NO₃)₂·6H₂O，并分别溶解于甲醇中，随后在剧烈磁力搅拌下将2-甲基咪唑的甲醇溶液迅速倒入含Co(NO₃)₂·6H₂O的甲醇溶液中，继续搅拌后于室温下静置，用无水乙醇洗涤产物数次，离心分离，干燥；

(2)ZIF67的碳化过程：将步骤(1)所得产物装入刚玉坩埚中，于管式炉中进行碳化过程，烧结气氛为氩气，以5℃/min的速率升温至800℃并保温3h，随炉冷却后收集产物，命名为Co-NC；