[發明專利]一種金屬有機框架納米復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010147621.8
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111320761B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 李奇
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: C08G83/00
• 分類號: C08G83/00;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00
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本發明涉及納米材料領域，公開了一種金屬有機框架納米復合材料及其制備方法與應用，本發明通過在制備的聚吡咯納米管表面化學修飾2?氨基?1,4?對苯二甲酸分子，然后絡合金屬離子并與對苯二甲酸分子組裝成金屬有機框架晶體，從而得到本發明金屬有機框架納米復合材料。本發明金屬有機框架納米復合材料不僅具有重量輕、化學極性強、熱力學穩定性好和耐腐蝕的優點，還表現出多孔特性，有高比表面積和孔隙率，能兼容充放電過程中活性硫中間產物的體積變化，保證鋰硫電池的安全性；具有極強的極性，能有效吸附放電過程產生的可溶性多硫化物，抑制多硫化物穿梭到負極發生化學反應，避免造成活性物質的損失，從而提升電池的比容量和循環穩定性能。

技術領域

本發明屬于納米材料領域，具體涉及一種金屬有機框架納米復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到1675mAh g^-1和2600Wh kg^-1，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量(150mA g^-1)。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。然而，鋰硫電池尚有亟待解決的問題，主要有：(1)單質硫的電子導電性和離子導電性差，硫材料在室溫下的電導率極低 (5.0×10^-30S cm^-1)，反應的最終產物Li₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體，不利于電池的高倍率性能；(2)鋰硫電池的中間放電產物會溶解到有機電解液中，增加電解液的黏度，降低離子導電性。多硫離子能在正負極之間遷移，導致活性物質損失和電能的浪費，(Shuttle效應)。溶解的多硫化物會跨越隔膜擴散到負極，與負極反應，破壞了負極的固體電解質界面膜(SEI膜)，引起電池容量的快速衰退；(3)鋰硫電池的最終放電產物Li₂S_n(n＝1～2)電子絕緣且不溶于電解液，沉積在導電骨架的表面；部分硫化鋰脫離導電骨架，無法通過可逆的充電過程反應變成硫或者是高階的多硫化物，造成了容量的極大衰減；(4)硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66g cm^-3，在充放電過程中有高達79％的體積膨脹/收縮，這種膨脹會導致正極形貌和結構的改變，導致硫與導電骨架的脫離，從而造成容量的衰減；這種體積效應在紐扣電池下不顯著，但在大型電池中體積效應會放大，會產生顯著的容量衰減，有可能導致電池的損壞，巨大的體積變化會破壞電極結構； (5)鋰硫電池使用金屬鋰作為負極，除了金屬鋰自身的高活性，金屬鋰負極在充放電過程會發生體積變化，并容易形成枝晶；(6)鋰硫電池實驗室規模的研究開展較多，單位面積上硫載量一般都在3.0mg cm^-2以下，開展高負載量極片的研究對于獲得高性能鋰硫電池具有重要價值。

為了解決鋰硫電池存在的問題，設計和制備高效的正極載體用以提高活性硫的導電性、兼容產物密度不同帶來的體積變化、抑制多硫化物穿梭是其中一種具有前景的解決方案。金屬有機框架材料具有超高的比表面積和孔隙率，高穩定性和極性，在鋰硫電池正極材料展現了廣闊的應用前景。然而，金屬有機框架不導電，排列不規則等導致了離子傳輸受阻，限制了其在鋰硫電池正極中國的應用。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提供一種金屬有機框架納米復合材料及其制備方法與應用，制備的金屬有機框架納米復合材料具有高比表面積和孔隙率以及極強的極性，應用于鋰硫電池正極載體時展現出良好的導電性能，能抑制多硫化物的穿梭，提升電池的比容量和循環穩定性能。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種金屬有機框架納米復合材料，包括：

聚吡咯納米管；

與通過2-氨基-1,4-對苯二甲酸化學接枝有序生長在所述聚吡咯納米管表面的金屬有機框架結構材料；