[發(fā)明專利]一種應用于電池隔膜涂層的多孔碳材料及其制備方法和應用

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• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110078053A
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡躍鵬;李國輝;胡潤澤;洪旭佳;宋春雷
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學
• 主分類號: C01B32/158
• 分類號: C01B32/158;C01B32/05;H01M2/14;H01M2/16;H01M10/052
• 代理公司: 廣州專理知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44493
• 代理人: 譚昉

本發(fā)明的目的在于提供一種應用于電池隔膜涂層的多孔碳材料及其制備方法和應用，屬于電化學的新材料的技術(shù)領(lǐng)域。其制備方法包括如下步驟：1）取腺嘌呤、4,4?聯(lián)苯二羧酸分別溶解備用；2）取乙酸鋅、乙酸鈷、十六烷基三甲基溴化銨混合，得混合物A；3）取混合物A、碳納米管溶液、甲醇以及去離子水混合攪拌，得混合物B；4）將混合物B進行離心，得灰色粉末，將灰色粉末洗滌之后干燥得到MOF?CNT復合材料；5）將步驟4）制得的MOF?CNT復合材料在氮氣氛圍下進行煅燒，即得Co?NCN?CNT復合材料。本發(fā)明的Co?NCN?CNT復合材料應用于鋰硫電池中，可以有效的催化多硫化鋰的轉(zhuǎn)化，從而抑制穿梭效應，極大提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學新材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應用于電池隔膜涂層的多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術(shù)

隨著電動汽車行業(yè)、便攜電子設(shè)備行業(yè)蓬勃發(fā)展，以及各種清潔能源如風能，太陽能，潮汐能的更大規(guī)模應用，鋰離子電池已經(jīng)很難滿足下一代高能量密度可充電儲存系統(tǒng)的需求。鋰硫電池由于具有高的理論能量密度（2600Wh/Kg）和高理論比容量（1675mAh/g），并且作為正極材料的硫儲量豐富且經(jīng)濟，這些優(yōu)點都讓鋰硫電池成為目前最具開發(fā)前景的二次電池體系之一。但是鋰硫電池距離傳統(tǒng)的商業(yè)應用還有很長一段距離，第一，硫和硫在電池反應中生成的硫化鋰都是絕緣的，從而導致活性物質(zhì)利用率很低以及氧化還原動力學緩慢；第二，反應過程產(chǎn)生的多硫化鋰溶解在電解液中產(chǎn)生不必要的寄生反應以及鋰支晶的產(chǎn)生都會嚴重地影響電池性能甚至導致電池死亡。目前鋰硫電池存在的活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命低、倍率性能差和安全性低等問題都嚴重阻礙其應用。針對這些問題，科學家們在正極、隔膜、電解液方面都進行了相應的探索，從而改進鋰硫電池的循環(huán)性能。其中設(shè)計新型功能隔膜可以有效且減緩多硫化鋰的穿梭效應，從而大幅提升電池的循環(huán)性能。因此開發(fā)出一種制備工藝簡單、原材料豐富且經(jīng)濟、導電性好且可以有效抑制穿梭效應的隔膜涂層便極具有實際意義。然而，現(xiàn)階段發(fā)展起來的膜材料雖然有很多結(jié)合了物理吸附、化學催化和良好的導電性，但是在硫載量很大和大電流密度下，電池無法發(fā)揮優(yōu)異的長循環(huán)性能和高初始放電比容量。此外，它們的原材料往往價格不具競爭力，合成方法也很復雜。

近年來，金屬有機骨架(MOFs)和以MOFs為前驅(qū)體的碳材料作為新型的硫載體和功能膜涂層材料在鋰電池中得到了廣泛的研究。MOFs是由無限排列的金屬離子/團簇節(jié)點和有機鏈接體組成的晶體材料，其比表面積大，尺寸和孔徑可調(diào)，備受人們的關(guān)注。MOFs的孔洞可以搭載化學活性位點，例如路易斯酸位點和功能有機官能團，這些都可以對硫和多硫化鋰有吸附作用，而以MOFs為前體的碳材料不僅保留了活性位點而且提高了材料的導電線和降低了重量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種應用于電池隔膜涂層的多孔碳材料，其為含有Co和N的多孔碳材料Co-NCN-CNT復合材料，其富含Co和N元素。

本發(fā)明還提供了應用于電池隔膜涂層的多孔碳材料的制備方法，包括如下步驟：

1）取腺嘌呤、4,4-聯(lián)苯二羧酸分別溶解備用；

2）取乙酸鋅、乙酸鈷、十六烷基三甲基溴化銨混合，得混合物A；

3）取混合物A、碳納米管溶液、甲醇以及去離子水混合攪拌，將反應原料和碳納米管充分混合、反應，得混合物B；

4）將混合物B進行離心，得灰色粉末，將灰色粉末洗滌，通過洗滌洗去未反應的雜質(zhì)，之后干燥得到MOF-CNT復合材料；

5）將步驟4）制得的MOF-CNT復合材料在氮氣氛圍下進行煅燒，通過在惰性氣氛下碳化，得到鈷、氮摻雜的多孔碳材料，即得產(chǎn)品Co-NCN-CNT復合材料。

其中，步驟1）中所述溶解的使用試劑包括N,N-二甲基甲酰胺（DMF），使得有機配體腺嘌呤和4,4-聯(lián)苯二羧酸充分溶解，使得反應原料充分溶解；