[发明专利]一种应用于锂电池负极的钒基ZIF多孔材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于锂电池负极的钒基ZIF多孔材料，其制备方法为：以草酸氧钒溶液为前驱体，加入有机配体咪唑类物质进行反应，保证有机配体与钒的化学计量比为1.5~3:1，反应后分离出固体产物，即为钒基ZIF多孔材料。该基于金属钒的ZIF多孔材料作为锂离子电池负极材料时，电化学性能优异，在2000 mA g^‑1的电流密度下，首次电容量可达180 mAh g^‑1，循环500次后容量保持率为88.0%，单次容量衰减率仅为0.024%，表现出良好的高倍率循环性能。

技术领域

本发明涉及多孔材料及电化学电池技术领域，具体涉及一种基于金属钒的ZIF多孔材料及其制备方法，以及该材料作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

金属-有机骨架(metal-organic frameworks,简称MOFs)材料是由过渡金属离子与有机配体通过分子自组装过程杂化生成的一类具有一定尺寸和形状的周期性多维网状结构的多孔材料。与传统的多孔材料相比，沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF多孔材料)具有纳米级的骨架型规整的孔道结构，大的比表面积和高孔隙率以及小的固体密度等特点。因此，这类多孔材料在光、电、磁、吸附、分离、催化、气体储存等方面均表现出了优异的性能，已成为新材料领域的研究热点与前沿。

在目前的研究中，常用的金属有机骨架材料的制备方法主要有水热法、扩散法、微波法、离子热法等。CN107857886A公开了一种用离子液体作为溶剂，加入适量调节剂，室温搅拌条件下制备Zr-MOF的方法，该方法采用离子液体为溶剂，制备过程中易造成环境污染，且生产成本高。CN107903399A和CN107722290A分别公开了一种非均相Zr-MOF催化剂和一种双有机配体MOF的制备方法，两种材料均采用溶剂热法合成，反应时间较长，反应需要在高温高压下进行，反应过程不可观察，只能直接得到结果。此外，扩散法合成配合物的条件温和，可得到高质量的单晶，但反应时间太长，一般需要数十天。CN107732248A公开了一种应用于锂离子电池负极的MOF材料，在2000mA g^-1的电流密度下，首次比容量为300mAh g^-1，但未测试循环性能。

近年来，金属有机骨架材料作为锂离子电池负极的应用受到了很大的关注，主要归因于其丰富的孔道和大量存在的与金属锂作用的活性位点。但是将ZIF材料作为锂离子电池负极使用仍存在很多问题，如制备过程繁琐，电池容量低，循环稳定性差，倍率性能不突出等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于金属钒的ZIF(沸石咪唑酯骨架结构材料)多孔材料，作为锂离子电池负极材料时，电化学性能优异，在2000mA g^-1的电流密度下，首次电容量可达180mAh g^-1，循环500次后容量保持率可达88.0％，单次容量衰减率仅为0.024％，表现出良好的高倍率循环性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种应用于锂电池负极的钒基ZIF多孔材料，它是沸石咪唑酯骨架结构材料，有机咪唑酯交联连接到金属钒上，颗粒大小为2～10μm；其中，骨架结构材料的有机配体是咪唑分子或其衍生物，有机配体与钒的化学计量比为1.5～3:1。

上述钒基的ZIF多孔材料的制备方法，包括如下步骤：以草酸氧钒溶液为前驱体，加入有机配体，在常温下持续搅拌反应8～12h，其中有机配体与钒源中钒原子的化学计量比为1.5～3:1，反应结束后分离出固体产物，洗涤干燥后即为钒基ZIF多孔材料。

优选地，上述钒基的ZIF多孔材料的制备方法，主要步骤如下：

(1)按照化学计量比，称取草酸与钒源溶解于溶剂中，常温下搅拌溶解，制得草酸氧钒溶液；