[發(fā)明專利]MOF衍生改性碳紙基的鈉金屬負(fù)極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110853933.5
• 申請(qǐng)日: 2021-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN113707846B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪振生;趙思;黃航
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/1393
• 分類號(hào): H01M4/1393;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學(xué)俊

本發(fā)明公開了一種MOF衍生改性碳紙基的鈉金屬負(fù)極及其制備方法，首先將碳紙置于濃硝酸中活化處理，再分別置于丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲處理后烘干備用；然后將處理后的碳紙放入2?甲基咪唑，六水合硝酸鋅以及40?ml?99wt%的甲醇溶液的混合溶液中，在室溫條件下反應(yīng)40min得到前驅(qū)體，并將其退火碳化，得到MOF衍生改性碳紙基的鈉金屬負(fù)極，其自支撐結(jié)構(gòu)使其可直接用作電極，提高了傳統(tǒng)電極首圈可逆容量，從而展現(xiàn)出良好的倍率性能以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉金屬電池負(fù)極材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種MOF衍生改性碳紙基的鈉金屬負(fù)極及其制備方法。

背景技術(shù)

由于具有優(yōu)異的理論比容量(1165?mAh/g)、低的氧化還原電位(-2.71?V)和豐富的材料，鈉金屬負(fù)極可大大提高傳統(tǒng)鈉離子電池(SIBs)的能量密度。此外，鈉金屬負(fù)極也是許多新型電池體系Na-S/Se/Te、Na-O₂、Na-CO₂和Na-Br/I不可或缺的組成部分。盡管具有這些有前景的優(yōu)點(diǎn)，但包括循環(huán)壽命和安全性在內(nèi)的艱巨挑戰(zhàn)仍然困擾著可充電鈉金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。特別是在反復(fù)電鍍/剝離過(guò)程中，非均相的Na離子沉積往往會(huì)導(dǎo)致形態(tài)和化學(xué)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為鈉枝晶生長(zhǎng)、體積膨脹大、庫(kù)倫效率差等導(dǎo)致電池過(guò)早失效。將鈉金屬植入具有親鈉性質(zhì)的導(dǎo)電3D支架中，因?yàn)樗瓤梢詼p少電極的體積變化，又可以抑制枝晶的生長(zhǎng)。但目前所報(bào)道的3D支架都是疏鈉的，包括碳紙、碳布、3D多孔銅等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種簡(jiǎn)單的策略，采用商用碳纖維紙多孔集流體作為例子，通過(guò)簡(jiǎn)單快速的化學(xué)沉積法在其表面原位生長(zhǎng)MOF材料進(jìn)行修飾，其合成溫度低、操作簡(jiǎn)單、更重要的是所制備的材料用作鈉金屬電池材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能和循環(huán)性能。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種MOF衍生改性碳紙基的鈉金屬負(fù)極的制備方法，包括以下步驟：

CP@ZIF8的制備:采用典型的化學(xué)沉積法制備。首先，采用濃硝酸對(duì)碳紙表面進(jìn)行活化，在100℃-120℃反應(yīng)8-12?h，再分別置于丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲30min后烘干備用。其次，CP@ZIF8的制備是將已處理過(guò)的碳紙放入摩爾比為1.0~1.5:3.0~3.5的2-甲基咪唑，六水合硝酸鋅以及40?ml?99%的甲醇溶液中，在室溫條件下反應(yīng)40min左右得到前驅(qū)體。將所得到的前驅(qū)體于650-850℃退火碳化2-4小時(shí)，得到的材料命名為CP@ZIF8。表面未被ZIF8修飾并經(jīng)過(guò)同樣的酸處理過(guò)程得到碳紙命名為CP。

鈉金屬電池組裝：以CP或CP@ZIF8做負(fù)極，正極為金屬鈉，電解質(zhì)電解液為1.0MNaPF6的DME溶液。電池組裝在氬氣保護(hù)下手套箱里進(jìn)行（氧氣和水分含量均低于1ppm）。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供了一種以MOF材料表面修飾碳紙（CP@ZIF8）作為多孔電流集電器用于鈉金屬的沉積和溶解。自支撐結(jié)構(gòu)使其可直接用作電極，提高了傳統(tǒng)電極首圈可逆容量，從而展現(xiàn)出良好的倍率性能以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。其操作簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這一發(fā)明在高性能鈉金屬電池體系中有著良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為CP@ZIF8的XRD圖；

圖2為?(a)?CP,?(b)?CP@ZIF8煅燒前,(c)?CP@ZIF8和(d)?CP@ZIF67的SEM圖,?(e,f)?CP@ZIF67煅燒前后的SEM圖；

圖3為CP和CP@ZIF8以1?mA?cm^-2的電流密度沉積1?mA?h?cm^-2?鈉金屬的循環(huán)庫(kù)倫效率圖；

圖4為CP和CP@ZIF8?以1?mA?cm^-2電流密度沉積1?mA?h?cm^-2?金屬鈉的電鍍曲線；