[发明专利]锂硫电池自支撑电极MOFs/碳纸复合材料的制备方法及应用

说明书

锂硫电池自支撑电极MOFs/碳纸复合材料的制备方法及应用，包括如下步骤：步骤1，将碳纸在去离子水、丙酮和异丙醇混合溶液中超声预处理，无水乙醇洗涤，真空干燥后得到预处理碳纸；步骤2，将步骤1中所得预处理CF浸入醋酸铜和HHTP的混合溶液中，水热法反应一段时间，将MOFs生长到预处理CF表面上；步骤3，用去离子水洗涤数次以除去未反应的金属离子和有机配体，冷冻干燥即得Cu₃(HHTP)₂/CF复合材料。本发明所得到的复合材料具有较高的结构稳定性和丰富的孔道结构，能有效减少MOFs的团聚现象，并提高硫正极的导电性，抑制穿梭效应，提高锂硫电池循环寿命；本发明制备方法简单，步骤较少，有利于降低成本。

技术领域

本发明属于电极及其制备和应用技术领域，特别涉及锂硫电池自支撑电极MOFs/碳纸复合材料的制备方法及应用。

背景技术

锂硫电池能量密度是现有锂离子电池体系的3～5倍，良好的性能使其成为目前全世界的研究热点之一。其理论比容量达1675mA·h/g，理论比能量可达2600 Wh/Kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池，硫储量丰富、污染小、成本较低，且锂硫电池可以放电至0％，而锂离子电池需要在剩余电量约为40％时定期充电，以防产生不可逆的容量损失，因此锂硫电池受到了研究人员的密切关注。虽然锂硫电池优点众多，但仍有许多问题需要解决：1)单质硫在室温下的电导率很低(5.0×10^-30S/cm)，造成电池的大电流充放电及倍率性能相对较差；2)充放电过程中生成的多硫离子会在正负极之间迁移，产生“穿梭效应”，降低硫的利用率、比容量和循环性能，缩短电池寿命；3)硫和硫化锂的密度差别较大，在充放电过程中体积变化大，导致电池容量衰减。这些问题严重影响电池性能，限制了锂硫电池的发展和应用。金属-有机骨架材料(MOFs)是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的材料，具有良好的孔道结构和较大的比表面积，当用作锂硫电池正极载硫材料时，具有以下优点：1)多孔结构一方面可以束缚活性物质硫，有效抑制“穿梭效应”带来的电池容量下降和寿命衰减问题，另一方面可以容纳充放电过程中的体积变化，提高电池循环稳定性；2)较大的比表面积可以增大电解液与活性物质的接触面积，提高硫的利用率。然而大多数MOFs的导电性不佳，无法直接用作锂硫电池正极载硫材料，这限制了它在锂硫电池中的应用。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供锂硫电池自支撑电极MOFs/碳纸复合材料的制备方法及应用，克服了上述“穿梭效应”和导电性差的缺陷，方法简单，成本低，制得的电极材料具有良好的导电性和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

锂硫电池自支撑电极MOFs/碳纸复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将商品化碳纤维纸浸在去离子水、丙酮和异丙醇混合溶液中超声预处理以除去杂质，无水乙醇洗涤，真空干燥后得到预处理碳纸；

步骤2，将适量醋酸铜和HHTP溶于去离子水和DMF中，得到蓝色溶液；

步骤3，将上述预处理碳纸浸泡在蓝色溶液中，水热法反应一段时间，反应完成后用去离子水洗涤数次，冷冻干燥即得Cu₃(HHTP)₂/CF复合材料；

所述步骤1中混合溶液去离子水、丙酮和异丙醇的体积比为1～3∶1∶1。

所述步骤1中，超声时间为20-60min。

所述步骤1中，真空干燥的温度为90-140℃，干燥时间为7-14h。

所述步骤2中，醋酸铜和HHTP的摩尔比为1～3∶1。

所述步骤2中，去离子水和DMF的体积比为1～2∶1～2。

所述步骤3中，水热反应温度为60-100℃，反应时间6-12h。