本发明专利技术属于锂硫电池制备技术领域，公开了一种基于Co基MOF材料衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜及其制备方法和应用。所述隔膜包括基础隔膜以及负载于所述基础隔膜上的Co/C@石墨烯。该隔膜可以抑制多硫化物的穿梭效应，且一定程度上缓解电极充放电过程中的体积变化，提高电池的电化学性能。本明中的功能性隔膜的涂层轻薄，对电池整体能量密度影响较小；制备工艺简单、可实现大规模生产。对锂硫电池体系的商业化有一定的推动作用。体系的商业化有一定的推动作用。体系的商业化有一定的推动作用。
【技术实现步骤摘要】
一种基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于锂硫电池制备
，更具体地，涉及一种基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]在过去的20多年里，虽然锂离子电池取得了巨大的成功，但是由于其有限的理论比容量，不能满足未来科技领域的重大需求。作为下一代动力电池的候选者之一，锂硫电池的理论能量密度可达到2600Wh/kg，远大于现阶段所使用的商业化锂离子电池。锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。锂是最轻的金属，具有非常低的标准还原电位(
‑
3.04V)。这些特性使其成为具有低工作电压和高比容量的理想负极；硫是一种固态的轻质稳定的负电性元素，具有储量丰富，价格低廉、环境友好等优点。目前，锂硫电池商业化所面临的问题有如下几点：
[0003](1)硫物种的导电子和导离子能力弱(室温下约5.0
×
10
‑
30
S/cm)，使得活性物质硫利用率低下。
[0004](2)多硫化物的穿梭效应，导致硫活性物种的损失，进而导致容量快速衰减。
[0005](3)硫物种在充放电循环过程中的体积变化，使得电极的机械稳定性下降。
[0006]作为锂硫电池的重要组成部分，隔膜具有分隔正负极、防止短路、并使电解质离子通过的功能。当前锂硫电池常用的隔膜是聚烯烃类膜，包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。它们具有成本低、化学稳定性好和高度多孔等优点。另一方面，其离子选择性渗透率低。长链多硫化锂的平均尺寸是几纳米，而常规的PP隔膜表面孔径大小约为0.1微米。因此，PP隔膜无法阻拦多硫化物向负极侧迁移。构建具有拦截多硫化物的功能性隔膜对于改善锂硫电池的性能具有重要的意义。
[0007]MOF衍生的金属/碳复合材料是以多孔MOF材料为前驱体，通过惰性氛围下高温煅烧得到的复合材料，具有自发形成特有框架结构和多孔高导电碳基底的优势。MOF衍生的金属/碳复合材料用于锂硫电池具有以下优势：(1)材料具有的多孔结构不仅可以通过物理限域作用限制多硫化物的扩散，同时可以缓解电极在充放电循环过程中的体积变化问题；(2)材料的导电性好，有利于提高活性物质硫的利用率。基于以上，在PP隔膜上负载一定载量的Co/C@石墨烯材料，可大大提升锂硫电池的电化学性能。
技术实现思路
[0008]为了解决目前商用锂硫电池隔膜无法阻止多硫化物穿梭的不足，本专利技术提供一种基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜。该隔膜可以抑制多硫化物的穿梭效应，且一定程度上缓解电极充放电过程中的体积变化，提高电池的电化学性能。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供上述隔膜的制备方法。
[0010]本专利技术的再一目的在于提供上述隔膜在锂硫电池中的应用。
[0011]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0012]本专利技术提供了一种基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜，所述隔膜包括基础隔膜以及负载于所述基础隔膜上的Co/C@石墨烯。所述Co/C@石墨烯是将Co/C和石墨烯负载在基础隔膜上后形成的隔膜修饰层。
[0013]优选地，所述基础隔膜为PP隔膜或PE隔膜。
[0014]优选地，所述基础隔膜上Co/C@石墨烯的负载量为0.08～0.32mg/cm2；所述Co/C@石墨烯中Co/C的比表面积为100～185m2/g，孔体积为0.1～0.21cm3/g；Co/C中的Co载量为30.06～43.78％。
[0015]本专利技术提供了上述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜的制备方法，包括如下步骤：
[0016]S1.将钴盐溶液、4,5
‑
咪唑二羧酸和4,4
‑
联吡啶溶解在碱性溶液中，在160～200℃进行水热反应，所得的固体经水洗涤后在60～120℃干燥，制得Co基MOF；将制得的Co基MOF在惰性氛围中煅烧得到金属/碳(Co/C)复合材料；
[0017]S2.将Co/C、石墨烯和PVDF在NMP中超声混合，以基础隔膜为基底进行抽滤，最后干燥制得Co/C@石墨烯修饰的隔膜，即为基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜。
[0018]优选地，步骤S1中所述钴盐溶液中钴盐为Co(NO3)2·
6H2O；所述钴盐溶液的浓度为0.2～0.5mol/L；
[0019]优选地，步骤S1中所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述碱性溶液是浓度为0.2～0.4mol/L的碱性溶液。
[0020]优选地，步骤S1中所述钴盐溶液、4,5
‑
咪唑二羧酸、4,4
‑
联吡啶、碱性溶液中的碱性物质的摩尔比为(0.2～0.5):(0.1～0.4):(0.1～0.4):(0.15～0.6)。
[0021]优选地，步骤S1中所述水热反应的时间为2～4天，所述干燥的时间为12～36h。
[0022]优选地，步骤S1中所述的惰性氛围为氮气或氩气氛围；煅烧温度为600～800℃；煅烧时间为1～5小时。
[0023]优选地，步骤S2中所述Co/C和石墨烯的质量比为(1.35～5.4):(3.15～12.6)。
[0024]优选地，步骤S2中所述Co/C和石墨烯的总质量、PVDF的质量、NMP的体积比为(4.5～18.0)mg:(1.6～2.0)mg:(28.8～36.0)mL。
[0025]本专利技术提供了上述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜在锂硫电池领域中的应用。
[0026]本专利技术构建基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料(Co/C)的隔膜修饰层，将其负载到商用隔膜上，以抑制多硫化物的穿梭效应，进而改善锂硫电池的电化学性能。该隔膜修饰层是由Co/C和石墨烯混合后通过抽滤的方法得到的一层具有高导电性、多吸附位点的薄膜。该修饰层应用于锂硫电池具有多种优势：(1)Co/C材料中的Co原子对多硫化锂具有强亲和力，对硫的氧化还原反应动力学具有强催化加速作用；(2)Co/C复合材料的纳米多孔结构和极性表面可以有效吸附和固定多硫化锂，获得快速的离子迁移，并一定程度上缓解硫正极充放电过程中的体积变化；(3)Co/C复合材料高导电性有利于提高活性物质硫的利用率；(4)该隔膜制备方法简单。电化学性能测试结果表明，该隔膜修饰层可以有效提高锂硫电池的比容量和循环稳定性。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0028]1.本专利技术中的Co/C材料中金属Co的载量为30.06～43.78％。高载量的金属Co原子有利于对多硫化物的吸附，加快硫的氧化还原反应动力学。Co/C复合材料的纳米多孔结构和极性表面可以有效吸附和固定多硫化锂，获得快速的离子迁移，并一定程度上缓解硫正极充放电过程中的体积变化。
[0029]2.本专利技术中的Co/本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜，其特征在于，所述隔膜包括基础隔膜以及负载于所述基础隔膜上的Co/C@石墨烯。2.根据权利要求1所述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜，其特征在于，所述基础隔膜为PP隔膜或PE隔膜。3.根据权利要求1所述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜，其特征在于，所述基础隔膜上Co/C@石墨烯的负载量为0.08～0.32mg/cm2；所述Co/C@石墨烯中Co/C的比表面积为100～185m2/g，孔体积为0.1～0.21cm3/g；Co/C中的Co载量为30.06～43.78％。4.一种根据权利要求1
‑
3任一所述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将钴盐溶液、4,5
‑
咪唑二羧酸和4,4
‑
联吡啶溶解在碱性溶液中，在160～200℃进行水热反应，所得的固体经水洗涤后在60～120℃干燥，制得Co基MOF材料；将制得的Co基MOF材料在惰性氛围中煅烧得到Co/C材料；S2.将Co/C、石墨烯和PVDF在NMP中超声混合，以基础隔膜为基底进行抽滤，最后干燥制得Co/C@石墨烯修饰的隔膜，即为基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料的隔膜。5.根据权利要求4所述的基于Co基MOF衍生的金属/碳复合材料隔膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述钴盐溶液中钴盐为Co(NO3)2·
【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，徐娟，林展，张振宇，林铮，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。