[發(fā)明專利]一種鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110914629.7
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113809323A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊蓉;楊云;樊潮江;燕映霖;鄒一鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 白文佳

本發(fā)明公開了一種鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼及其制備方法和應(yīng)用，屬于鋰硫電池正極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，以MOFs為前驅(qū)體，經(jīng)過簡單的硫化和熱處理后，制備出一種鑲嵌有極性金屬硫化物的空心碳殼多面體材料。本發(fā)明的制備方法易于操作，所需儀器設(shè)備簡單，采用了工藝成熟的沉淀法制備出形貌均一的ZIF?67前驅(qū)體模板，同時采用簡單的硫化工藝，在熱處理的過程中由于不均勻的收縮能夠形成空心結(jié)構(gòu)。由于其可以對多硫化物產(chǎn)生化學吸附，故能夠在一定程度上抑制充放電過程中的穿梭效應(yīng)、減少活性物質(zhì)硫的流失，并且其空心的結(jié)構(gòu)可以緩沖硫在電化學反應(yīng)過程中的體積變化，從而能夠提升電池的電化學性能，能夠應(yīng)用于鋰硫電池的正極硫載體。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池正極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

本世紀的關(guān)注焦點是能源與環(huán)境問題。能源是社會經(jīng)濟的支柱，是人類生存以及進步的重要基礎(chǔ)之一，同時對經(jīng)濟的發(fā)展有著必不可少的促進作用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗急劇增加。地球上傳統(tǒng)化石能源儲量有限，且化石燃料消耗會引發(fā)環(huán)境問題，故迫切需要開發(fā)和利用清潔可再生能源。

為了滿足此需求，必須探索先進的儲能和轉(zhuǎn)換技術(shù)，如鋰離子電池，鋰硫電池，超級電容器，太陽能電池及其他儲能設(shè)備等(ElectrochimicaActa,2017,246:380-390)。其中，以硫為正極活性材料的鋰硫電池，其理論比容量和能量密度較高，分別達到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠遠高于商業(yè)化廣泛應(yīng)用的鋰離子電池(物理化學學報,2017,33(12),2339-2358)。并且硫元素廉價易得、環(huán)境友好、儲量豐富，是一種非常有前景的鋰電池。

然而，鋰硫電池在實際應(yīng)用過程中仍存在一些未解決的問題，其中充放電過程中可溶性多硫化物的穿梭效應(yīng)以及正極反應(yīng)前后的體積變化一直是阻礙鋰硫電池實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。過渡金屬硫化物由于其較高的導(dǎo)電性、資源豐富以及具有與電化學和催化性能相關(guān)的獨特結(jié)構(gòu)而在可逆電池和電催化領(lǐng)域得到了廣泛研究。在鋰離子電池中，單組分過渡金屬硫化物作為電極材料時的穩(wěn)定性和大倍率下的充放電性能往往較差，需要采用不同組分材料復(fù)合形成功能材料來改善電化學性能，然而多數(shù)研究中得到的多組分功能材料復(fù)合不均勻?qū)е鹿δ馨l(fā)揮較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中，單組分過渡金屬硫化物作為電極材料時的穩(wěn)定性和大倍率下的充放電性能較差的缺點，提供一種鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼及其制備方法和應(yīng)用。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼的制備方法，包括如下步驟：

步驟1)以ZIF-67作為模板和鈷源，以硫代乙酰胺作為硫源，采用溶劑熱反應(yīng)法制備前驅(qū)體；

步驟2)對前驅(qū)體進行熱處理，得到鑲嵌金屬硫化物的空心碳殼。

優(yōu)選地，ZIF-67的制備過程為：

以硝酸鈷為鈷源，以2-甲基咪唑為有機配體，在有機溶劑中進行沉淀反應(yīng)，得到ZIF-67晶體。

優(yōu)選地，硝酸鈷和2-甲基咪唑的摩爾比為1：(2～4)；

有機溶劑為甲醇；

甲醇與硝酸鈷的投料比為(10～20)mL：0.11g。

優(yōu)選地，沉淀反應(yīng)的具體操作為：首先在室溫下靜置12～24h，之后依次進行洗滌和干燥；

洗滌是在乙醇中洗滌2～3次；干燥是在50～80℃下干燥12～24h。

優(yōu)選地，ZIF-67和硫代乙酰胺的質(zhì)量比為1：(1～2)。

優(yōu)選地，步驟1)中溶劑熱反應(yīng)的條件為：溫度80～120℃，時間為2～4h；