[发明专利]一种氧化物纳米线‑MOF衍生物/S复合正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料及其制备方法领域，具体涉及了一种氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料及其制备方法。

背景技术

近些年来，锂硫电池因其优异的能量密度和功率密度引起了不少研究者的关注。众所周知，单质硫有着很多优良的自然属性，例如价格相对较低、储备非常丰富以及环境友善等特性。但是硫单质导电性很差，不能作为正极材料单独来使用，这制约着锂硫电池的发展，使其无法大规模的商业化使用。为了使得锂硫电池的循环性能提升，通常我们采用的方法是，用导电材料来包覆硫，使硫电极的导电性有所提升并减少多硫化锂的溶解流失。

近些年来，科研工作者为了解决上述问题以尽快使得锂硫电池商业化，便把碳材料和单质硫进行有效复合，希望可以用碳材料的优点来使锂硫电池的电化学性能得到进一步的改进。碳材料作为一种固硫材料有着诸多的优势，比如其有着较好的导电性，比表面积和孔容较大同时它还有很强的吸附能力。这些优势使得其作为固硫材料来提升锂硫电池的循环性能，吸引了诸多科研工作者的关注和研究。早在21世纪初，加拿大的Nazar课题组就使用模板法制备了一种新型分子筛结构的介孔碳CMK-3，把它和单质硫按照适当的比例混合，然后进行热处理，最后得到了硫含量达到70％的CMK-3/S，碳硫复合材料。国内Liang等很早就合成了分级多孔碳/硫复合材料。

除了碳材料用来固硫吸引众多科研工作者的关注外，部分金属氧化物材料因其较大的比表面积以及良好的离子选择性也被很多材料学领域的研究者关注，例如四氧化三钴纳米线，氧化锌纳米线，氧化铁纳米线，氧化锰纳米线，氧化镍纳米线等材料。在锂硫电池的研究中，金属氧化物被用来固硫，这样不但可以避免硫颗粒的团聚，方便于电解液的润湿和锂离子的传输，而且可以有效的减弱因中间产物的溶解所造成的损失，从而能够进一步提升硫正极的电化学性能。

发明内容

针对现有的锂硫电池中，硫单独作为正极材料使用时，导电性较差，循环性能不太稳定等问题，本发明提供了一种氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料及其制备方法，属于锂硫电池正极材料及其制备方法领域。该氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料为氧化物纳米线/ZIF系MOFs糖葫芦状复合材料高温碳化产物再进行固硫所得到的复合产物。该氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料解决了硫作为锂硫电池的正极单独使用时导电性较差等一些问题，其中碳化后的产物由于具有较大的比表面积，而且导电性较好，很适合固硫；除此之外，该氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料还有较好的循环稳定性，容量相对较高，制备简单，原材料易得，有利于加速锂硫电池商业化等诸多优势，有着很大的潜在价值。

本发明通过以下技术方案实现。

氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料，其特征在于，所述氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料，MOF衍生物像糖葫芦串一样，串在氧化物纳米线上，形成糖葫芦形状的结构，且氧化物纳米线表面与MOF衍生物孔隙中含有硫。

氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料及其制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

S1首先利用表面活性剂使ZIF系MOF材料在氧化物纳米线上定向生长，以氧化锰纳米线，氧化锌纳米线，四氧化三钴纳米线，氧化镍纳米线，氧化铁纳米线等金属纳米线为基底添加4～6重量份，加入20～40重量份咪唑，30～50体积份有机溶剂，20～40重量份金属盐通过室温静置，水热反应以及在水浴锅或油浴锅中溶剂热等不同的方法制备得到不同种类，类似形貌的的氧化物纳米线/ZIF系MOFs的复合材料；

S2将得到的氧化物纳米线/ZIF系MOFs的复合材料在管式炉中碳化，得到氧化物纳米线-MOF衍生物；

S3将碳化后的材料和硫按重量比1:3的比例混合均匀在155℃用反应釜固硫12h得到氧化物纳米线-MOF衍生物/S复合正极材料。

更进一步的，所述步骤S1中表面活性剂为PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，SDS(十二烷基硫酸钠)，PVA(聚乙烯醇)，NPAM(聚丙烯酰胺)。

更进一步的，所述步骤S1中的咪唑为2-甲基咪唑，苯并咪唑，2-硝基咪唑。

更进一步的，所述步骤S1中的有机溶剂是指甲醇，N，N-二甲基甲酰胺。

更进一步的，所述步骤S1中的金属盐使用金属硝酸盐。

更进一步的，所述步骤S2中，复合材料在管式炉碳化时温度为300℃～600℃，保温时间为3h，升温速率为1℃/min。