[發(fā)明專利]一種鋰硫電池用導(dǎo)電MOF修飾碳纖維紙插層材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010421996.9
• 申請(qǐng)日: 2020-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN111554936B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧少楠;宋曉藝;周國(guó)偉;劉冰潔;任永強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/62
• 分類號(hào): H01M4/62;H01M10/052;D21H13/50
• 代理公司: 濟(jì)南知來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37276
• 代理人: 曹麗

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池用導(dǎo)電MOF修飾碳纖維紙插層材料及其制備方法與應(yīng)用，該制備方法包括：碳纖維紙的預(yù)處理：將碳纖維紙材料進(jìn)行親水處理；制備生長(zhǎng)有Co₃(HITP)₂的碳纖維紙：二價(jià)鈷離子Co²⁺與六氨基三亞苯在親水碳纖維紙表面配位并原位生長(zhǎng)；去除結(jié)構(gòu)雜質(zhì)。制備得到的導(dǎo)電MOF，修飾的碳纖維紙作為鋰硫電池的插層材料，其中碳纖維紙?zhí)峁┍匾膶?dǎo)電基質(zhì)，確保在正極與隔膜間電子的高速移動(dòng)；碳纖維紙上生長(zhǎng)的Co₃(HITP)₂不僅可以提供吸附多硫化鋰足夠的極性，填補(bǔ)碳材料的不足，并且還能夠通過(guò)Co?N₄的催化作用促進(jìn)多硫化鋰反應(yīng)，高效的抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及納米材料技術(shù)，具體涉及一種鋰硫電池用導(dǎo)電MOF修飾碳纖維紙插層材料的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

這里的陳述僅提供與本發(fā)明有關(guān)的背景信息，而不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

鋰硫電池因其理論容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)遠(yuǎn)大于商業(yè)鋰離子電池(300mAh/g，420Wh/kg)而備受關(guān)注，具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。然而，鋰硫電池目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)，其中最重要的問(wèn)題是電池反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化鋰(LiPSs)穿過(guò)隔膜沉積在負(fù)極一側(cè)產(chǎn)生的“穿梭效應(yīng)”。電池充放電過(guò)程中的穿梭效應(yīng)主要帶來(lái)三方面負(fù)面影響：(1)電池庫(kù)倫效率低；(2)容量衰減嚴(yán)重；(3)有效活性物質(zhì)損失快。最終導(dǎo)致鋰硫電池實(shí)際容量低、使用壽命驟減，嚴(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)于解決鋰硫電池穿梭效應(yīng)的近期報(bào)道中，工藝簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)性能可控的方法是通過(guò)將極性的無(wú)機(jī)固硫材料引入到鋰硫電池的正極中，使其抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，從而提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定情況。但該法也存在不利的因素。主要是大部分的無(wú)機(jī)固硫材料常常是不導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力很差，因此，一旦大量加入，勢(shì)必會(huì)大大增加電極本身的內(nèi)部阻值，影響電池性能。

在正極和膈膜之間引入插層，這種結(jié)構(gòu)可以作為第二集流體，用于加速電子的轉(zhuǎn)移，以提高導(dǎo)電性，同時(shí)對(duì)多硫化物具有一定的攔截作用。鑒于這種思路，越來(lái)越多的插層材料漸漸被應(yīng)用到鋰硫電池中。如申請(qǐng)公布號(hào)為109920957A(201910095425.8)的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種鋰硫電池插層材料的專利，該專利利用聚丙烯隔膜作為插層的基體層，碲化鉍作為隔離層，該隔離層用于在聚丙烯隔膜的表面形成阻隔，抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)。但是本發(fā)明發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，該材料屬于半導(dǎo)體，因此由該材料制備的插層沒有能夠充分起到電池反應(yīng)過(guò)程中加速電子轉(zhuǎn)移的作用，電池性能勢(shì)必會(huì)受到影響。除此之外，本發(fā)明發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，為了提高插層的導(dǎo)電性，目前的插層多以碳基材料為基質(zhì)，但碳基材料的非極性表面對(duì)極性多硫化鋰的吸附作用非常有限，為提高插層對(duì)多硫化鋰的攔截作用，不可避免的需要加入導(dǎo)電性較差的無(wú)極固硫材料，如金屬氧化物、硫化物等，導(dǎo)致最終插層材料導(dǎo)電性降低，電池性能差強(qiáng)人意。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是之一是提供一種導(dǎo)電MOF修飾的碳纖維紙作為鋰硫電池的插層材料及制備方法，以解決現(xiàn)有的插層材料導(dǎo)電性不高、對(duì)多硫化鋰穿梭抑制效率低等技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)解決現(xiàn)有鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性差的技術(shù)問(wèn)題。

具體的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種導(dǎo)電MOF修飾的碳纖維紙材料，包括親水性的碳纖維紙和金屬-有機(jī)框架材料Co₃(HITP)₂，所述金屬-有機(jī)框架材料Co₃(HITP)₂生長(zhǎng)在所述親水性的碳纖維紙中碳纖維的表面上。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供所述導(dǎo)電MOF修飾的碳纖維紙材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

碳纖維紙的預(yù)處理：將碳纖維紙材料進(jìn)行親水處理；