[發明專利]一種鋰硫電池用碳材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201711249041.4
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN109873158B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 張洪章;張華民;楊曉飛;于瀅;李先鋒;陳雨晴
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種鋰硫電池用碳材料及其制備和應用，以金屬鹽與有機配體為原料，制備獲得金屬有機骨架(MOF)納米墻陣列生長于基底上，通過程序升溫碳化、或升溫碳化和化學氣相沉積(CVD)制成碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料。本發明的碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料作為鋰硫電池正極材料，在電子和離子傳輸等方面都表現出巨大的優勢，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池用碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料。

背景技術

鋰離子電池是目前商業化能量密度最高的二次電池，但是受“脫嵌”理論的約束，其實際能量密度小于250Wh kg^-1，遠不能滿足人們對電動汽車500km續航的需求。鋰硫電池基于多電子得失的氧化還原反應機理，理論能量密度高達2600Wh kg^-1。同時，活性物質硫具有自然豐度大，成本低，低毒，環境友好等優點，因此，鋰硫電池被認為是可替代鋰離子電池的新型二次電池之一，具有良好的應用前景。

正極材料是鋰硫電池中的重要組成部分，它起著構建電極導電網絡和固硫的作用。其中，硫含量及負載量直接決定著硫在整個電池系統中的質量比。換句話說，正極材料中的硫的含量及負載量直接決定著鋰硫電池的實際能量密度。單位面積硫的負載量一般要超過4mgcm^-2才能確保鋰硫電池實際能量密度超過500Whkg^-1。簡單的通過增加刮涂電極材料厚度來提高單位面積硫的負載量很難滿足實際需求。因為隨著電極厚度的增加，電極內部的電子和離子傳輸受限，表現為循環穩定性，倍率性能下降，活性物質利用率降低。此外，由于電化學反應會發生在電極—電解液—活性物質的三相界面上，充放電過程中非溶性的充放電產物會優先沉積在電極的上表面，阻塞了離子傳輸通道，限制了下層的活性物質容量發揮。因此，制備具有良好電子、離子傳輸通道且確保這些通道在反復的循環過程中依然保持通暢對于提高高負載量鋰硫電池的電化學性能尤為重要。

發明內容

本發明目的在于提供一種鋰硫電池用碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料及其應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種鋰硫電池用碳材料，

以金屬鹽與有機配體為原料，制備獲得金屬有機骨架(MOF)納米墻陣列生長于基底上，通過程序升溫碳化、或升溫碳化和化學氣相沉積(CVD)制成碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料；

所述有機配體為二甲基咪唑、六亞甲基四胺中的一種或二種以上；

所述金屬鹽為硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鋅中的一種或二種以上。

基底為金屬或非金屬基底；

所述金屬基底為泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鋁、銅片或鋁片；

所述非金屬基底為碳布，碳氈或碳紙。

所述碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料中納米墻片的尺寸為0.1-50μm，厚度為5-300nm；

所述的碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料中碳納米管的直徑為5-100nm,長度為1-30μm；

所述的碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料的比表面為100～2000m²g^-1，孔體積為0.1～2.5cm³g^-1。

上述碳納米管交織多孔納米墻陣列碳材料的制備方法，該方法采用如下步驟制備：

(1)將有機配體和金屬鹽溶解在溶劑中，在溫度為20～50℃下攪拌0.5～2h，使混合均勻；有機配體的濃度為0.01～2M；金屬鹽的濃度為0.001～0.5M；

所述有機配體為六亞甲基四胺；