[发明专利]一种CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料的制备方法，属于储能材料和锂硫电池正极材料制备技术领域。本发明制备的复合材料首先以金属盐为基底，加入有机配体和有机溶剂，金属盐通过室温静置、水热反应或者溶剂热反应得到MOFs纳米材料作为前驱体，之后将前驱体碳化处理，然后用碳化产物固硫，从而得到CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料。碳化后的产物由于具有较大的比表面积，而且导电性较好，含有金属粒子，有着良好的“固硫”作用，能有效抑制中间产物多硫化物在电解液中的“穿梭效应”。本发明制备的复合材料还具有较好的循环稳定性，容量相对较高，制备简单，原材料易得，有利于加速锂硫电池商业化等诸多优势，有着很好的应用前景。

技术领域

本发明属于储能材料和锂硫电池正极材料制备技术安全领域，具体涉及一种CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料的制备方法以及在锂硫电池正极材料中的应用。

背景技术

近年来，随着以便携式电子设备、电动车和现代电网领域为代表的大规模电能存储系统行业的高速发展，人们对储能装置的能量密度提出了更高的要求。目前已商业化的锂离子电池具有循环寿命长、安全性好等优点而被广泛应用于市场化电子电动设备，但是受到其相对较低的理论比容量300mAh/g限制，显然难以满足社会发展对于电池高比能量的需求。锂硫电池具有1675mAh/g的极高理论比容量(比锂离子电池高10倍)和2600Wh/kg的能量密度(比锂离子电池的高5倍)，且价格低廉、环境友好、硫储量丰富，被公认为是应用中最有希望的可持续能源。然而，目前锂硫电池仍然存在很多急需解决的问题：1)硫固有的低电导率和放电产物Li₂S/Li₂S₂的形成导致活性物质利用率低，使得循环能力和倍率性能较低；2)充放电过程中，结构变化和体积膨胀会产生锂枝晶刺破隔膜；3)中间产物多硫化锂的存在会产生穿梭效应，导致不可避免的容量衰减和低库仑效率。

目前，为了解决上述问题，研究人员通常采用的方法是改进硫正极来提高锂硫电池的电化学性能。通常采用制备多孔碳阻挡并吸附多硫离子，减少其溶解流失，实现有效“固硫”。但是由于在循环过程中形成的中间产物多硫化锂溶解到醚基电解液中，在两电极之间的化学势和浓度差的作用下通过隔膜扩散至锂阳极，被还原为短链的不溶性多硫化物Li₂S和Li₂S₂而沉积在锂阳极表面，导致电池容量衰减和对金属锂的破坏。此外硫和硫化锂都拥有较低的锂离子扩散系数，由于这些性质使得硫和硫化锂具有电绝缘性和离子绝缘性，单纯的与多孔碳复合，导电性也不高，导致锂硫电池在充放电过程中电化学动力学较低。同时，这种绝缘特性增加了电池的内阻，限制了活性材料的充分利用，降低了倍率性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料的制备方法及在锂硫电池正极材料中的应用。本发明制备得到了具有高比表面积的CoNi双金属MOF衍生碳材料，导电性较好，然后通过与硫复合得到稳定的复合材料，具有良好的“固硫”作用；得到的复合材料作为正极材料应用于锂硫电池中，有效提高了锂硫电池的充放电容量、循环稳定性和库伦效率，具有很大的研究价值和商业价值。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种CoNi双金属有机框架衍生碳硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将混合均匀的1～2重量份的Co盐，1～2重量份的Ni盐，1～2重量份的有机配体和80～100重量份的有机溶剂，通过室温静置、水热反应或者溶剂热反应得到CoNi双金属有机框架(MOF)材料；

步骤2、将所述CoNi双金属MOF材料置于管式炉内，在惰性气体气氛下由室温升温至600～1000℃，保温1～3h，随炉自然冷却至室温，取出，得到CoNi双金属MOF衍生碳材料；