[发明专利]一种S@NPC/CNT复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种S@NPC/CNT复合材料及其制备方法和应用，所述S@NPC/CNT复合材料由NPC/CNT复合材料经载硫获得，所述NPC/CNT复合材料由氮掺杂多孔碳与碳纳米管交织组成，所述氮掺杂多孔碳为由Zn/Co‑双金属有机骨架衍生的碳材料。以含锌和/或钴过渡金属盐，有机配体、碳材料的甲醇和水混合液中搅拌、干燥、煅烧、酸处理等步骤获得上述氮掺杂的碳材料，最后通过熔融扩散法制备了高载硫的S@NPC/CNT复合材料，该材料表现出了超高的硫含量。此外，本发明还公开了所述方法制得高载硫的氮掺杂的碳材料在锂硫电池中的应用。将该复合材料用于锂硫电池的正极材料，制得的电池有很高的面积容量和良好的电化学性能。本发明为制备具有高性能的硫含量高的氮掺杂的碳材料提供了有效的方法。

技术领域

本发明属于储能材料制备领域；具体涉及一种S@NPC/CNT复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车和便携式电子设备的发展,锂硫电池因其高的理论比容(1675 mA·h/g)和高的理论能量密度(～2 600W·h/kg)而引起人们的广泛关注,在未来非常有可能成为常用的电源设备。锂硫电池由于其原料来源广泛、成本低廉并且具有理论容量高以及环境友好等优点,被认为是最有潜力的新一代高能量密度电池技术之一。然而在锂硫电池的商业应用中，仍面临着许多问题。主要存在以下3 个问题：

(1)硫的低导电率使得活性物质的利用率降低。

(2)充放电过程中，多硫化锂在电解液中的溶解而产生“穿梭效应”，导致低库仑效率。

(3)硫与多硫化锂之间的互相转换而引起的大体积膨胀(～80％)造成电极的破坏并导致正极材料循环性能的降低。

由于碳材料的高比表面积、可调控的孔径和优异的导电性，碳纳米纤维、石墨烯、氧化石墨烯、碳空心球或多孔碳与硫的复合材料都被广泛地研究过。添加碳材料不仅增加了绝缘体硫的导电性，而且还为电解质与离子的扩散提供了孔隙结构。然而，碳材料中的非极性键与多硫化物之间的弱相互作用并不能有效地抑制多硫化物的溶解。

通常来说，提高材料的载硫量高达70％以上时，能够很好的实现锂硫电池的应用。金属有机骨架(MOFs)衍生的碳材料是新型的多孔结晶材料，由于其多孔结构的存在可以将硫束缚在其中，使得充放电过程中活性物质不易流失。此外，在充放电过程中，MOFs中的金属中心能和硫进行配位，通过化学作用进一步避免穿梭效应，从而提高电池的循环寿命和稳定性。

现有技术中金属有机骨架(MOFs)衍生的碳材料在应用于锂硫电池中仍存在一定的缺陷，比如在公开号为201810700910.9的中国专利中公开了一种氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电极正极材料的制备方法，这种制备方法使用金属有机骨架化合物为前驱体，碳布为载体，金属有机骨架化合物垂直均匀生长在柔性的碳布上，通过碳化氮化等处理得到氮化钴颗粒镶嵌的纳米碳片，且该多孔纳米碳片以垂直生长方式负载于碳布的纤维表面之上。但是该正极材料仍存在载硫量不足的问题，材料使用过程中稳定不佳的情况。

发明内容

为了解决现有锂硫电池的正极材料低硫含量，多硫化物溶解和容量损失等问题，本发明的第一个目的在于提供了一种高比表面积、高载硫的S@NPC/CNT复合材料。

本发明的第二个目的在于提供一种S@NPC/CNT复合材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供将上述S@NPC/CNT复合材料作为正极材料应用于锂硫电池，所得锂硫电池具有良好的循环性能及容量保持率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种S@NPC/CNT复合材料，所述S@NPC/CNT复合材料由NPC/CNT 复合材料经载硫获得，所述NPC/CNT复合材料由氮掺杂多孔碳与碳纳米管交织组成，所述氮掺杂多孔碳为由金属有机骨架衍生的碳材料，所述金属有机骨架中的金属为锌和/或钴。