[发明专利]一种基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料及其制备方法及锂硫电池正极和电池

说明书

本发明公开了一种基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料及其制备方法及锂硫电池正极和电池，通过溶剂热法制备出三维层状多孔的铜基MOFs，并通过管式炉在高温下利用硫粉对其进行硫化使其生成硫化铜，利用气相沉积的方法进行熏硫在所制得的多孔层状硫化铜的表面附着一层单质硫，形成形貌独特的三维硫化铜/硫复合材料，其具有大的比表面积，解决了硫导电性差以及充放电过程体积变化大的问题，从而显著地提升电池的性能，该材料应用于锂硫电池正极材料，有着循环性能好，能量密度高等优点。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料及其制备方法及锂硫电池正极和电池。

背景技术

由于化石燃料有限，并且燃烧会带来一系列的环境问题，太阳能、水能、核能等清洁能源作为替代能源得到了前所未有的发展。

锂硫电池作为极有希望的下一代储能电池，以硫作为活性正极材料，与锂负极材料在正极形成多硫化物从而产生电流，其理论容量约为1675 mAh g^-1，并且得益于硫在地壳中的丰富度，将进一步降低电池成本。但硫作为一种绝缘体其导电性很差，并且在充放电过程中其体积变化很大，并且生成的多硫化物溶于电解液导致活性材料的丢失，进而因其电池性能急剧下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料及其制备方法及锂硫电池正极和电池，本发明利用价格低廉原料制备得到Cu基MOFs，通过硫化、沉积，得到硫化铜与硫复合纳米材料。本发明针对硫化铜作为电极材料的循环稳定性差等技术难题，提供了一种新颖、产率高、成本低的复合材料制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

（1）将铜盐和对苯二甲酸溶于有机溶剂中，进行溶剂热反应，反应结束后经离心、洗涤、干燥得到三维层状铜基MOFs；

（2）将三维层状铜基MOFs和硫粉分别置于磁舟的两端，加盖后置于管式炉中进行煅烧，自然冷却后即可得到基于MOFs的层状多孔硫化铜；

（3）将步骤（2）得到的基于MOFs的层状多孔硫化铜进行熏硫，即可得到基于MOFs的层状多孔硫化铜/硫纳米复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述铜盐为三水合硝酸铜；所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺。

步骤（1）中，所述铜盐、对苯二甲酸的物质的量之比为2:1；所述铜盐在有机溶剂中的浓度为0.03～0.27 mol L^-1，优选为0.09mol L^-1。

步骤（1）中，所述溶剂热反应的条件为90~130℃反应0.5~20小时。

步骤（2）中，所述层状铜基MOFs与硫粉的质量之比为2:1；所述煅烧的条件为400~600℃煅烧1～4小时，优选为1小时；此煅烧温度下可将步骤（1）中得到的三维层状铜基MOFs中的MOFs分解进而脱去其中与铜结合的对苯二甲酸根配体，并进一步与硫粉反应形成多孔的层状硫化铜。

步骤（3）中，将步骤（2）得到的基于MOFs的层状多孔硫化铜与升华硫粉密封于充满氩气的聚四氟乙烯瓶中，在150~160℃保持20~26小时，即可完成熏硫。

或者，步骤（3）中，将升华硫粉超声溶解于二硫化碳中，向其中加入步骤（2）得到的基于MOFs的层状多孔硫化铜进行超声分散，然后干燥成粉末，密封于充满氩气的聚四氟乙烯瓶中，在150~160℃保持20~26小时，即可完成熏硫。这样可保证单质硫在硫化铜表面附着的均匀性。所述干燥为在35~50℃的烘箱中干燥6 ~ 8h；所述升华硫粉与二硫化碳的质量体积比为0.05～0.2g /10 mL，优选为0.1 g/10 mL。