[發明專利]一種沸石-咪唑-框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910735846.2
• 申請日: 2019-08-09
• 公開（公告）號: CN110600690B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 孫志鵬;方路峻;吳方丹;余錦超;張海峰
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學;東莞華南設計創新院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/50;H01M4/583;H01M10/052
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

本發明屬于鋰硫電池材料技術領域，公開一種沸石?咪唑?框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫(N?HPC@Mn₃O₄@NC/S)及其制備方法和應用。所述復合材料是在氬氣和氮氣混合氣氛下，將沸石?咪唑?框架衍生的介孔碳在900～950℃熱處理制得N?HPC；加入高錳酸鉀在150～160℃水熱反應，冷卻后清洗和干燥，制得N?HPC@Mn₃O₄；再加入堿溶液和多巴胺攪拌，抽濾，烘干，在氬氣氛圍下600～800℃碳化處理，制得N?HPC@Mn₃O₄@NC，將N?HPC@Mn₃O₄@NC與硫混合，在氬氣氛圍下，在150～160℃反應，然后在155～200℃加熱，冷卻至室溫制得，應用在鋰硫電池領域。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池材料技術領域，更具體地，涉及一種沸石-咪唑-框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫(N-HPC@Mn₃O₄@NC/S)及其制備方法和應用。

背景技術

近來，為了一些更緊湊和更輕便的輕攜帶式的電子設備提高對高性能循環穩定性和超大容量的需求，鋰硫電池是一種新型二次電池體系，電池結構以金屬鋰為負極，單質硫為正極而構成，其具有原材料含量豐富，制備成本低廉，環境友好型等特點。鋰硫電池中硫正極的鋰硫比容量可以到達1675毫安時/克，金屬鋰負極的理論容量更是達到了3860毫安時/克，這致使鋰硫電池體系具有高達2600瓦小時/千克的理論比能量值，為現在鋰電池的5倍左右，是最具有發展潛力的高能化學電源體系之一。如此高的比能量也符合市場對移動通訊設備待機的時間和電動汽車續航歷程的要求。

對鋰硫電池的研究從20世紀八、九十年代就有已經開始，并在近期重新受到重視。鋰硫電池作為二次電池體系的性能仍有局限，存在的待解決的問題包括鋰～硫電池在循環過程中會出現電極活性物質的流失導致循環穩定性較差；硫電極導電性較差，需要添加適當的活性物質促進其電化學反應；硫電極處的化學反應循環是單體硫和硫化鋰之間的轉變，這兩種分子的固有體積差別會在循環過程中使得正極在充放電過程中發生較大的體積變化，并導致電極材料本身發生結構破壞；硫與鋰反應生成的不溶性鋰硫化物會隨著充放電次數的增多而堆積，影響電極的反應活性；充放電反應中生成的聚硫離子則會發生“穿梭效應”，引起鋰負極端有效活性物質的損失，降低電池的庫倫效率；電池循環過程中形成枝晶，破壞電池結構等。這些缺陷限制了鋰硫電池的商業化應用，尤其是電池壽命和容量保持率方面，作為高端應用不具有競爭優勢。

近年來世界范圍內的研究人員對鋰硫電池的改性方法進行了多方面的探索，各國也對相應的研究和產業化發展有著不同力度的扶持。目前已有報道的鋰硫電池實際比能量已經達到500W小時/千克，已有報道的實驗室電池循環次數則達到了1500次。

常見的鋰硫電池改良思路包括對正極材料結構和制備方法的改良、對鋰負極的保護、對電解液組分的改良，以及對電池結構的整體設計改良(如采用全固態電解質)等幾個方向。本報告在對鋰硫電池研究及產業近期動態持續追蹤的基礎上，以美國錫安動力(硫ion Power)公司、日本東北大學、日本關西大學、德國德國弗朗霍夫材料與光束技術研究所、中國科學院大連化學物理研究所等幾家典型機構為代表，對鋰硫電池技術研究和發展近況進行了介紹。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的不足和缺點，本發明的目的在于提出一種沸石-咪唑-框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫。該材料可以作為高負載硫的載體，其有很高導電性和抑制多硫化鋰的“穿梭效應”應用，還能提供一個空間防止硫在充放電的時候體積膨脹。

本發明的另一目的在于提供上述沸石-咪唑-框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫的制備方法，該方法制備周期短，工藝簡單。

本發明的再一目的在于提供上述沸石-咪唑-框架衍生的氮摻雜分級多孔碳@四氧化三錳@碳/硫的應用。