[发明专利]一种锂硫电池用导电MOF修饰碳纤维纸插层材料

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用导电MOF修饰碳纤维纸插层材料及其制备方法与应用，该制备方法包括：碳纤维纸的预处理：将碳纤维纸材料进行亲水处理；制备生长有Co₃(HITP)₂的碳纤维纸：二价钴离子Co²⁺与六氨基三亚苯在亲水碳纤维纸表面配位并原位生长；去除结构杂质。制备得到的导电MOF，修饰的碳纤维纸作为锂硫电池的插层材料，其中碳纤维纸提供必要的导电基质，确保在正极与隔膜间电子的高速移动；碳纤维纸上生长的Co₃(HITP)₂不仅可以提供吸附多硫化锂足够的极性，填补碳材料的不足，并且还能够通过Co‑N₄的催化作用促进多硫化锂反应，高效的抑制多硫化物的穿梭效应。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，涉及纳米材料技术，具体涉及一种锂硫电池用导电MOF修饰碳纤维纸插层材料的制备方法与应用。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

锂硫电池因其理论容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)远大于商业锂离子电池(300mAh/g，420Wh/kg)而备受关注，具有较高的研究价值和应用前景。然而，锂硫电池目前仍面临巨大挑战，其中最重要的问题是电池反应中间产物多硫化锂(LiPSs)穿过隔膜沉积在负极一侧产生的“穿梭效应”。电池充放电过程中的穿梭效应主要带来三方面负面影响：(1)电池库伦效率低；(2)容量衰减严重；(3)有效活性物质损失快。最终导致锂硫电池实际容量低、使用寿命骤减，严重阻碍其实际应用。

关于解决锂硫电池穿梭效应的近期报道中，工艺简单且结构性能可控的方法是通过将极性的无机固硫材料引入到锂硫电池的正极中，使其抑制多硫化物的穿梭效应，从而提高锂硫电池的循环稳定情况。但该法也存在不利的因素。主要是大部分的无机固硫材料常常是不导电或者导电能力很差，因此，一旦大量加入，势必会大大增加电极本身的内部阻值，影响电池性能。

在正极和膈膜之间引入插层，这种结构可以作为第二集流体，用于加速电子的转移，以提高导电性，同时对多硫化物具有一定的拦截作用。鉴于这种思路，越来越多的插层材料渐渐被应用到锂硫电池中。如申请公布号为109920957A(201910095425.8)的中国专利文献公开了一种锂硫电池插层材料的专利，该专利利用聚丙烯隔膜作为插层的基体层，碲化铋作为隔离层，该隔离层用于在聚丙烯隔膜的表面形成阻隔，抑制多硫化锂的穿梭效应。但是本发明发明人研究发现，该材料属于半导体，因此由该材料制备的插层没有能够充分起到电池反应过程中加速电子转移的作用，电池性能势必会受到影响。除此之外，本发明发明人还发现，为了提高插层的导电性，目前的插层多以碳基材料为基质，但碳基材料的非极性表面对极性多硫化锂的吸附作用非常有限，为提高插层对多硫化锂的拦截作用，不可避免的需要加入导电性较差的无极固硫材料，如金属氧化物、硫化物等，导致最终插层材料导电性降低，电池性能差强人意。

发明内容

本发明的目的是之一是提供一种导电MOF修饰的碳纤维纸作为锂硫电池的插层材料及制备方法，以解决现有的插层材料导电性不高、对多硫化锂穿梭抑制效率低等技术问题；同时解决现有锂硫电池循环稳定性差的技术问题。

具体的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一个方面，提供一种导电MOF修饰的碳纤维纸材料，包括亲水性的碳纤维纸和金属-有机框架材料Co₃(HITP)₂，所述金属-有机框架材料Co₃(HITP)₂生长在所述亲水性的碳纤维纸中碳纤维的表面上。

根据本发明的第二个方面，提供所述导电MOF修饰的碳纤维纸材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

碳纤维纸的预处理：将碳纤维纸材料进行亲水处理；