[发明专利]一种载硫MOF@导电聚合物材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有高电子传导性的载硫MOF@导电聚合物材料及其制备方法，将活化后的MOF粉末与单质硫混合均匀，然后将混合物密封后加热，冷却后得到载硫MOF材料；对载硫MOF材料修饰表面活性剂，然后将其与导电聚合物单体一同分散在溶剂中，加入聚合剂，进行氧化聚合反应，得到载硫MOF@导电聚合物材料。该材料既保留了MOF丰富且有序的多孔结构，又具有良好电子传输性能的核壳结构。MOF能够将硫以分子态的形式良好分散在MOF极性的孔道内，并对放电过程中产生的多硫化锂的扩散有一定的限制作用。导电聚合物提供了丰富的电子传输通道，并且能阻止多硫化锂在电解质中的溶解扩散。MOF与导电聚合物的协同作用使该锂硫电池正极材料具有高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料制备领域，具体涉及一种具有高电导率的载硫MOF@导电聚合物材料及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能、风能、海洋能等可再生资源在在为人类提供取之不尽的能源的同时，由于其间歇性的特点导致直接使用这些资源面临极大的技术挑战。发展高能量密度的储能设备是实现间歇性能源存储和可控性释放的一个重要发展方向。传统的锂离子电池在日常生活中已经占据了重要的地位，但是限于其容量的限制，目前仍然难以满足需要较长续航时间的电子产品及电动汽车的要求。锂硫电池具有比传统锂离子电池大3～5倍的理论比容量(1675mAh·g^-1)，而且活性物质硫的储量丰富，环境友好，因此锂硫电池已经成为下一代高能量密度储能设备的一个重要的发展方向。锂硫电池虽然具有上述优点，但其缺点也同样存在，比如硫单质的绝缘性(10^-20S·cm^-1)，单质硫在锂化过程中体积膨胀(300％)，放电过程生成的多硫化锂在电解质中的溶解和“穿梭效应”。目前锂硫电池普遍使用的是基于碳的正极材料，主要包括多孔碳、石墨烯、碳纳米管及其复合物。这些基于碳的复合材料虽然能够提供较大的电子电导率，但是这些非极性的碳体系对多硫化锂的固定作用十分有限，因此随着充放电循环的进行，容量衰减较快。金属-有机框架材料(Metal-organicFramework,MOF)是一类由金属氧化物单元与有机配体通过配位作用构筑的新型有序多孔材料，因其巨大的比表面积和孔道环境的可调控性，MOF在气体存储与分离、催化、传感及生物载药方面有着广泛的应用前景[Science 2013，341，1230444]。以这种极性的晶态多孔材料在能源存储上的应用日益受到关注[Coord.Chem.Rev.,2016，307，361-381]。但由于绝大多数的MOF是电子绝缘体，低的电导率极大地限制了MOF在电化学能源存储上的应用。

以MOF作为载硫体的锂硫电池陆续经报道[Nano Lett.,2014,14,2345-2352]，与传统碳材料相比，该材料体现出了较优良的循环稳定性。虽然MOF的纳米级孔道可以将硫以分子态的形式均匀分散，但由于MOF低的电导率导致了低的硫利用率，所以目前基于MOF载硫体的锂硫电池放电比容量普遍不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了合成导电聚合物(conductivepolymer,CP)包覆的MOF作为锂硫电池的载硫体的技术方案，一方面保留了MOF有序的晶态孔结构，另一方面导电聚合物提供了良好的电子传输通道，也间接形成了多硫化锂扩散的阻挡层。将该复合材料应用于锂硫电池的正极载硫体，实现了其电化学性能的显著提升。

本发明的技术方案具体如下：

一种载硫MOF@导电聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将活化后的MOF粉末与单质硫混合均匀，然后将混合物密封后加热，冷却后得到载硫MOF材料；

(2)对载硫MOF材料修饰表面活性剂，然后将其与导电聚合物单体一同分散在溶剂中，加入聚合剂，进行氧化聚合反应，聚合完成后依次用水和乙醇对固体进行清洗，干燥后得到载硫MOF@导电聚合物材料。