[發明專利]一種ZIF-8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料及其制備方法及鋰硫電池正極和鋰硫電池

有效

• 申請號: 201910870783.1
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110492088B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 黃家銳;趙敬娟;王俊
• 申請（專利權）人: 安徽師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/052
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 尹婷婷

本發明公開了一種ZIF?8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料及其制備方法及鋰硫電池正極和鋰硫電池，首先通過將氧化石墨烯在硫酸溶液中進行水熱反應，得到三維形貌的還原氧化石墨烯，其具有較多的孔洞結構；然后在鋅鹽、尿素的作用下，在三維還原氧化石墨烯的面和孔道結構中原位合成ZIF?8，ZIF?8的生成可進一步增加復合材料的孔洞和比表面積，有利于在后續的熏硫步驟中負載更多的單硫顆粒，進而得到ZIF?8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料，該材料用作正極材料制作鋰硫電池，具有高容量、循環壽命長、低成本以及易大規模生產等優點。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池材料技術領域，具體涉及一種ZIF-8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料及其制備方法及鋰硫電池正極和鋰硫電池。

背景技術

隨著科技發展和世界人口的不斷增長，人類對能源的需求不斷增加，能源短缺問題日益嚴峻。因此，發展綠色能源、提高能源的利用率成為當前解決能源短缺問題的重要課題。鋰硫電池作為新型電化學儲能器件之一，它具有理論容量高、能量密度高、環境友好、價格低廉以及資源豐富等優點。目前，高性能鋰硫電池已經成為新能源領域的研究熱點之一。

雖然鋰硫電池擁有眾多優點，但是目前鋰硫電池仍處于實驗室研究階段。這主要是由于鋰硫電池存在循環穩定性差和倍率性能低的問題，導致至今還沒商業化應用產品。上述問題主要是由硫及其充放電產物多硫化鋰導電性差、多硫化物的穿梭效應和硫正極嵌鋰產生的體積膨脹等缺點所造成的。因此，我們急需開發合適的硫載體來克服鋰硫電池的當前存在的缺點。

一般而言，硫載體應滿足以下幾個基本要求：(1)對硫具有高的親合力，以保證二者結合穩定；(2)具有高的導電率，以保證電化學過程中電子的快速傳導；(3)合適的孔結構和片狀結構用來存儲硫和抑制長鏈多硫化物的溶解擴散；(4)具有穩定的框架以緩沖電化學反應時產生的體積膨脹。目前對鋰硫電池正極材料相關的研究有很多，這些研究涉及的硫載體材料主要有碳材料、導電聚合物、金屬硫化物和金屬氧化物等無機材料及其復合材料。

金屬有機骨架材料是由有機配體和無機金屬位點構筑形成的，其含有官能團和金屬離子可以捕獲可溶性多硫化鋰。因為金屬有機骨架材料具有可調控結構、高孔隙率、高比表面積等優點，所以它逐漸被作為一種新型的鋰硫電池正極材料。

Xu Jing等人在Journal of Materials Chemistry A(2018，6，2797-2807)期刊報道了一種MOF衍生的多孔N-Co₃O₄@N-C包裹還原氧化石墨烯的復合材料，將其用作鋰硫電池正極材料，研究了鋰硫電池性能，發現多孔N-Co₃O₄@N-C的鈷氧化物多硫化鋰具有較強的親和力，氮摻雜可以增強多硫化鋰吸收的結合能，同時提高其電導率。現有專利和文獻報道的材料對鋰硫電池的性能均有一定的提高，但依然存在著鋰硫電池倍率性能和循環穩定性較差的技術難題。

發明內容

本發明提供了一種ZIF-8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料及其制備方法及鋰硫電池正極和鋰硫電池。在三維石墨烯表面和孔道結構中原位合成ZIF-8，得到ZIF-8@還原氧化石墨烯復合材料，再通過熏硫步驟在ZIF-8@還原氧化石墨烯復合材料的表面負載上硫顆粒，得到ZIF-8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料。該制備方法操作簡單，對設備要求低，產物形貌均勻，產率高。用該方法制備的復合材料作為鋰硫電池正極材料組裝的鋰硫電池，具有高容量、循環壽命長、低成本以及易大規模生產等優點。

本發明采取的技術方案為：

一種ZIF-8@還原氧化石墨烯負載硫復合材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將氧化石墨烯超聲分散在硫酸溶液中，經溶劑熱反應，得到三維還原氧化石墨烯；