[发明专利]一种MOF复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种MOF复合材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括：将碳前驱体包覆于MOF材料的表面，之后进行热处理，从而在所述MOF材料表面形成含碳导电层，获得MOF复合材料。本发明还公开了一种高性能锂硫复合隔膜及相应的锂硫电池。本发明提供的高性能锂硫复合隔膜的制备过程简单、原料易得且环保，适合大规模制备；同时该高性能锂硫复合隔膜具有MOF面密度大、面载量小的优势，在锂硫电池中表现出更高的比容量、库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学能源技术领域，具体涉及一种MOF复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，随着便携式电子设备和新能源动力汽车的快速发展，对高比能储能器件的需求日益迫切，传统以石墨为负极的锂离子电池在容量和高倍率性能上难以满足需求，锂硫电池因其高比能量密度(2600Wh kg^-1)、环保、低成本等优点，长期以来被认为是最有发展前景的下一代储能器件。然而锂硫电池的应用受到许多自身因素的制约，主要有：(1)硫及其放电产物硫化锂的电子电导性及离子电导性都非常低；(2)从单质硫变为Li₂S/Li₂S₂体积变化较大，膨胀、收缩体积变化约80％，循环中硫正极结构容易被破坏，造成容量衰减；(3)单质硫为环状S₈分子态，在其还原过程中有多种过渡中间物称为多硫化锂(LiPS)，多硫化锂溶于电解液后具有一定的穿梭行为，腐蚀锂负极的同时活性物质也会损失，造成库伦效率低。这些因素使得锂硫电池在实际的循环中难以实现理论比容量，其中多硫化物的穿梭行为对锂硫电池的性能影响最为严重。

有机金属框架(Metal-Organic Framework，MOF)由不饱和的金属中心和可选择极性基团的配体构成；在电化学反应过程中，MOF对反应过程产生的多硫化物有较强的化学吸附作用，能够有效约束多硫化物的自穿梭行为。目前很多报道的MOF材料以致密MOF的形式用为锂硫电池的隔膜，对多硫化物分子尺寸选择来抑制其穿梭行为，这极大的限制了MOF材料在锂硫电池中的应用。由于MOF的绝缘特性，自身不饱和金属中心和极性配体吸附来的多硫化物不能够继续电化学转化，造成循环性能低的现象。如果能够通过一种简单方式使得“MOF导电”，那么约束的多硫化物能够继续完成后续的电化学反应，实现高的循环性能。

目前，L有技术通过真空抽滤的方式获得的CNT@Seperator@MOF复合隔膜(MOF层对金属锂片)，但是仅仅利用了MOF层的物理阻挡功能，将抑制的多硫化物在CNT上继续电化学反应，这样并没有很好利用MOF的自身性质；也有通过真空抽滤的方式获得的Seperator@MOF@CNT三层结构复合隔膜(CNT层对硫阳极)，但仅仅是拉近了MOF层和CNT层的距离，MOF金属中心和极性配体吸附的多硫化物被长时间的限制在MOF孔隙内部，丧失活性；还有通过CNT表面原位生长的方式，针对不同MOF对CNT表面的亲和性不同，有时需要首先对CNT表面通过化学的方式加上一些官能团的预处理，最后将表面生长MOF的碳纳米管以抽滤的方式堆叠组合在一起作为中间层，这样制备的PP@(MOF@CNT)复合隔膜MOF面密度低，而且面载量大，循环过程中由于Li₂S/Li₂S₂的析出和溶解体积伸缩变化较大，MOF容易从CNT表面脱落，造成性能衰减较大。因此，如何提供一种这对锂硫电池的高性能复合隔膜是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种MOF复合材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种MOF复合材料的制备方法，其包括：

提供MOF材料；

将碳前驱体包覆于所述MOF材料的表面，之后进行热处理，从而在所述MOF材料表面形成含碳导电层，获得MOF复合材料。