[发明专利]一种镶嵌金属硫化物的空心碳壳及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镶嵌金属硫化物的空心碳壳及其制备方法和应用，属于锂硫电池正极材料制备技术领域，以MOFs为前驱体，经过简单的硫化和热处理后，制备出一种镶嵌有极性金属硫化物的空心碳壳多面体材料。本发明的制备方法易于操作，所需仪器设备简单，采用了工艺成熟的沉淀法制备出形貌均一的ZIF‑67前驱体模板，同时采用简单的硫化工艺，在热处理的过程中由于不均匀的收缩能够形成空心结构。由于其可以对多硫化物产生化学吸附，故能够在一定程度上抑制充放电过程中的穿梭效应、减少活性物质硫的流失，并且其空心的结构可以缓冲硫在电化学反应过程中的体积变化，从而能够提升电池的电化学性能，能够应用于锂硫电池的正极硫载体。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料制备技术领域，涉及一种镶嵌金属硫化物的空心碳壳及其制备方法和应用。

背景技术

本世纪的关注焦点是能源与环境问题。能源是社会经济的支柱，是人类生存以及进步的重要基础之一，同时对经济的发展有着必不可少的促进作用。随着社会经济的快速发展，能源消耗急剧增加。地球上传统化石能源储量有限，且化石燃料消耗会引发环境问题，故迫切需要开发和利用清洁可再生能源。

为了满足此需求，必须探索先进的储能和转换技术，如锂离子电池，锂硫电池，超级电容器，太阳能电池及其他储能设备等(ElectrochimicaActa,2017,246:380-390)。其中，以硫为正极活性材料的锂硫电池，其理论比容量和能量密度较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业化广泛应用的锂离子电池(物理化学学报,2017,33(12),2339-2358)。并且硫元素廉价易得、环境友好、储量丰富，是一种非常有前景的锂电池。

然而，锂硫电池在实际应用过程中仍存在一些未解决的问题，其中充放电过程中可溶性多硫化物的穿梭效应以及正极反应前后的体积变化一直是阻碍锂硫电池实际应用的关键因素。过渡金属硫化物由于其较高的导电性、资源丰富以及具有与电化学和催化性能相关的独特结构而在可逆电池和电催化领域得到了广泛研究。在锂离子电池中，单组分过渡金属硫化物作为电极材料时的稳定性和大倍率下的充放电性能往往较差，需要采用不同组分材料复合形成功能材料来改善电化学性能，然而多数研究中得到的多组分功能材料复合不均匀导致功能发挥较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，单组分过渡金属硫化物作为电极材料时的稳定性和大倍率下的充放电性能较差的缺点，提供一种镶嵌金属硫化物的空心碳壳及其制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种镶嵌金属硫化物的空心碳壳的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)以ZIF-67作为模板和钴源，以硫代乙酰胺作为硫源，采用溶剂热反应法制备前驱体；

步骤2)对前驱体进行热处理，得到镶嵌金属硫化物的空心碳壳。

优选地，ZIF-67的制备过程为：

以硝酸钴为钴源，以2-甲基咪唑为有机配体，在有机溶剂中进行沉淀反应，得到ZIF-67晶体。

优选地，硝酸钴和2-甲基咪唑的摩尔比为1：(2～4)；

有机溶剂为甲醇；

甲醇与硝酸钴的投料比为(10～20)mL：0.11g。

优选地，沉淀反应的具体操作为：首先在室温下静置12～24h，之后依次进行洗涤和干燥；

洗涤是在乙醇中洗涤2～3次；干燥是在50～80℃下干燥12～24h。

优选地，ZIF-67和硫代乙酰胺的质量比为1：(1～2)。

优选地，步骤1)中溶剂热反应的条件为：温度80～120℃，时间为2～4h；