[发明专利]一种夹层材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种夹层材料及其制备方法和应用，所述夹层材料的制备方法包括如下步骤：(1)将钴盐、钼源以及有机化合物加入水中混合，反应，得到前驱体；(2)将步骤(1)得到的前驱体进行高温处理，得到预制品；(3)将步骤(2)得到的预制品进行酸处理，得到所述夹层材料；通过在制备过程中加入钼源，能够得到特定杨桃状形貌的前驱体；通过高温处理和酸处理，不仅保留杨桃状的结构，且整体实现高度石墨化，钼源演变为Mo₂C，得到负载有Mo₂C/Co颗粒的多孔石墨化碳材料；该夹层材料应用于锂硫电池中，能够提高锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于电池领域，涉及一种夹层材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种夹层材料、包括夹层材料的改性薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

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。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。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。

因此，提供一种新型的隔膜用夹层材料非常有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种夹层材料及其制备方法和应用，通过在制备过程中加入钼源，能够得到特定杨桃状形貌的前驱体；通过高温处理和酸处理，不仅保留杨桃状的结构，且整体实现高度石墨化，钼源演变为Mo₂C，得到负载有Mo₂C/Co颗粒的多孔石墨化碳材料；还包括在制备过程中加入硫脲，在经过高温处理和酸处理之后，硫脲也成功掺杂进行碳层实现N和S的双掺杂，得到夹层材料(负载有Mo₂C/Co颗粒的N,S双掺杂的多孔石墨化碳材料)；该夹层材料应用于锂硫电池中，能够提高锂硫电池的电化学性能。

本发明的目的之一在于提供一种夹层材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将钴盐、钼源以及有机化合物加入水中混合，反应，得到前驱体；

(2)将步骤(1)得到的前驱体进行高温处理，得到预制品；

(3)将步骤(2)得到的预制品进行酸处理，得到所述夹层材料。

在本领域中，前驱体通常为多面体结构或二维纳米片结构，本发明通过引入钼源进行形貌调节，实现一步构筑由纳米片组装的杨桃状前驱体，具有三维或二维材料的混合优势，具有广阔的应用范围。

本发明中采用一锅法得到原位复合极性金属组分和碳前驱的前驱体，而后经过高温处理后得到负载有Mo₂C/Co颗粒的多孔石墨化碳材料，该正极宿主材料的制备方法简单、原料易得、价格低廉、易于实现，便于工业大规模生产应用。