[发明专利]一种金属有机框架ZIF-7片状薄膜夹层材料的制备方法及应用

说明书

本发明为一种金属有机框架ZIF‑7片状薄膜夹层材料的制备方法及应用。该方法包括步骤如下：第一步：将碳基材料浸润到醋酸锌的乙醇溶液(第一溶液)中，在350‑500℃的条件下空烧热解后，再将其浸入到醋酸锌和六亚甲基四胺的水溶液(第二溶液)中，搅拌后，将体系在温度为50‑95℃下保温6‑8h，得到ZnO/C；第二步：将第一步制备的ZnO/C放入水热釜，将苯并咪唑放入釜底，两者不接触，然后将水热反应釜放置于烘箱中，在150‑200℃加热6‑18h，最终得到ZIF‑7/C。本发明得到的材料用于作为锂硫电池中正极与隔膜之间的夹层。本发明得到的薄膜夹层材料可以显著提高锂硫电池的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明的技术方案涉一种金属有机框架ZIF-7片状薄膜夹层材料的制备方法及应用，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

随着在军用设备、移动电源、电子产品、电动汽车等领域的广泛使用，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，因此，高能量密度的锂硫电池再次受到了锂电研究工作者的广泛关注。锂硫电池是一种以硫元素为正极、金属锂为负极的二次电池，具有超高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)，且其正极活性材料硫无毒、原料丰富、成本低，使得锂硫电池成为电化学储能及转换领域的研究热点。

然而锂硫电池的商业化应用仍面临许多挑战，其中，中间产物多硫化物在电解液中溶解而引起的穿梭效应会造成电池的性能和寿命的降低，是制约锂硫电池发展的主要技术瓶颈之一。一方面，穿梭效应会造成正极活性物质的不可逆损失，导致正极活性物质利用率低；另一方面，多硫化物的溶解和穿梭不仅会使会使电解液粘度变大，电荷迁移速率降低，还会使负极锂发生副反应反，产生枝晶，形成的固体硫化锂附着在表面，从而使电池内阻变大。此外，在电池反复充放电过程中，正极材料会发生反复的膨胀收缩，导致电极材料结构发生塌陷，引起电池容量迅速衰减。

为了解决上述问题，大量研究致力于硫正极材料的改性，如利用碳材料作为限硫载体。尽管这些硫基复合材料可以在一定程度上抑制穿梭效应，但这种方法涉及制造工艺复杂，还会减少正极的实际硫负荷。在正极和隔膜之间设置“阻挡层”对多硫化物进行限制和捕捉，提高活性物质的利用率，是抑制锂硫电池穿梭效应的另一个研究热点。尤其是，金属有机骨架材料(MOFs)因其比表面积大、孔道结构规则有序、可修饰性良好等优点，作为锂硫电池夹层材料具有独特的优势。

当前，应用于锂硫电池夹层材料的MOFs主要为ZIF-8、ZIF-67、MIL-125(Ti)等少数材料，其他MOFs研究较少，而且为了增加导电性，一般会将MOFs进行碳化，这不可避免会破环MOFs材料的活性金属位点和多孔结构，降低其对多硫化物的束缚能力。因此，亟需根据MOFs材料的特点，开发应用于提高锂硫电池性能的新型MOFs基夹层材料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种金属有机框架ZIF-7片状薄膜夹层材料的制备方法及应用。该方法通过水热法在碳基底材料上制备氧化锌纳米棒，然后通过气相转化法合成ZIF-7片状薄膜夹层材料。ZIF-7sheet相对于常规的ZIF-7材料活性中心位点暴露更加充分，孔道利用率更高，该薄膜材料对多硫化物具有良好的吸附作用，可以限制硫在嵌入锂离子后的体积膨胀效应，同时该薄膜材料还具有催化作用，有利于多硫化物转化反应，促进了锂硫电池在充放电过程中的氧化还原反应，因而ZIF-7sheet薄膜夹层材料的引入可以显著提高锂硫电池比容量和循环稳定性。

本发明的技术方案为：

一种金属有机框架ZIF-7片状薄膜夹层材料的制备方法，该方法包括步骤如下：

第一步：碳基材料上氧化锌纳米棒(ZnO/C复合材料)的制备：

将碳基材料浸润到第一溶液中3-4次，然后取出，在350-500℃的条件下空烧热解2-4小时；之后，再将其浸没入第二溶液中，搅拌后，将体系在温度为50-95℃下保温6-8h，取出碳基材料，依次用乙醇与水洗涤，烘干，得到ZnO/C；