[发明专利]一种含有超高分散Co3

说明书

本发明提供了一种含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：1)将碳纳米管海绵进行功能化；2)将ZIF‑67前驱体溶液加入功能化的碳纳米管海绵中反应得到碳纳米管海绵和ZIF‑67纳米粒子杂化物；3)将碳纳米管海绵和ZIF‑67纳米粒子杂化物经碳化、硫化制得含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物。本发明的制备方法新颖，可量产，当杂化物被用作锂硫电池的正极材料时，在5C的大电流密度充放电时，比容量和循环稳定性分别可以达到850mAh g^‑1和1000个循环后75％的容量保持率，因此电池的倍率和长循环稳定性能得到了显著的提高。

技术领域

本发明属于碳材料技术与应用领域，涉及一种含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物的制备方法。

背景技术

随着社会的发展和科学技术的不断进步，锂离子电池因其较低的比容量和能量密度逐渐不能满足人们的需求，因此新型的二次电池应运而生，锂硫电池便是其中一种。锂硫电池的工作原理是通过单质硫与锂离子发生化学转化反应实现充放电的，因此能量密度和功率密度相较于锂离子电池有着明显优势。但是中间产物多硫化物的溶解，单质硫和硫化物较差的导电性，单质硫在充放电过程中较大的体积碰撞，以及缓慢的多硫化物转化反应速率都极大地影响了锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

为了解决上述问题，有人通过引入多孔碳材料包覆硫的方法，在缓解多硫化物溶解的同时，提高电极材料的导电性，缓解单质硫的体积膨胀，从而提高锂硫电池的循环稳定性。但是包覆的碳层在保护多硫化物的同时，也会降低多硫化物转化的动力学，损失锂硫电池的倍率性能。前期的研究结果表明，在电极材料中引入催化剂，可以显著改善锂硫电池的倍率性能，但是催化剂的设计尤其重要。比如Co₃S₄对多硫化物转化的催化作用显著优于Co，增大Co₃S₄的比表面积可以改善其催化效率。因此，要在保证锂硫电池循环稳定性的同时，提高其倍率性能，在多孔碳材料中引入合适的催化剂是一个行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物的制备方法，其能通过简单的先碳化，后硫化的方法将ZIF-67纳米粒子和碳纳米管海绵的杂化物转化为含有高度分散的Co₃S₄纳米粒子的多孔碳和碳纳米管海绵的复合物，在尽可能提高催化剂粒子的比表面积的同时，不影响其与碳纳米管海绵的复合。从而实现锂硫电池倍率和长循环稳定性能的同步提高。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物，碳纳米管穿过多孔碳，Co₃S₄纳米粒子均匀地分散在多孔碳中。

一种含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物的制备方法，所述方法包括步骤如下：

1)将碳纳米管海绵进行功能化；

2)将ZIF-67前驱体溶液加入功能化的碳纳米管海绵中反应得到碳纳米管海绵和ZIF-67纳米粒子杂化物；

3)将碳纳米管海绵和ZIF-67纳米粒子杂化物经碳化、硫化制得含有超高分散Co₃S₄纳米粒子多孔碳和碳纳米管海绵杂化物。

进一步地，所述功能化为采用高温酸化进行处理。

优选地，所述高温酸化的温度为80-120℃，反应时间为12-24h。