多孔碳结构、其制造方法及包含其的锂二次电池技术

本发明专利技术涉及一种多孔碳前体及其制备方法，更特别地，所述多孔碳前体包含具有核

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔碳结构、其制造方法及包含其的锂二次电池


[0001]本申请要求基于2021年1月27日提交的韩国专利申请第2021
‑
0011621号和2022年1月26日提交的韩国专利申请第2022
‑
0011827号的优先权权益，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
[0002]本专利技术涉及一种能够用作锂二次电池用正极材料的多孔碳前体、其制备方法和包含其的锂二次电池。

技术介绍

[0003]作为能量存储装置的锂硫(Li
‑
S)二次电池具有2600Wh/kg的理论能量密度和1672mAh/g的理论容量，并且作为下一代能量存储装置正受到关注，因为它表现出的能量密度是传统锂电池的3至5倍。然而，锂硫二次电池在商业用途中循环特性较差，由此已经进行了研究以使用多种方法来提高循环特性。
[0004]特别地，通过使用作为碳类材料的石墨烯和活性炭作为模板，主要使用防止硫体积膨胀并同时提高导电性的方法。然而，这些方法在实现商业化方面也存在诸多不足，由此状况是，必须提出另一种方法以进行商业化。
[0005]金属有机骨架(MOF)通过在特定溶剂中对金属前体和有机配体(有机连接体)进行水热合成来合成，并且是一种具有所要制造的金属嵌段和有机配体的重复阵列的三维多孔材料。
[0006]MOF具有各种尺寸的微孔和中孔，并且由于其非常宽的比表面积而已经被用作气体存储介质。此外，由于导电性差的问题而导致MOF没有被用于电化学方面，但最近，合成了纳米尺寸的MOF并将其用于电化学目的，由此金属有机骨架的使用越来越多。
[0007]此外，MOF能够具有金属前体和有机配体的各种组合，从而它能够实现数千种晶体结构，并且能够含有各种官能团，由此在使用方面非常有用。
[0008]这种MOF能够经由热处理通过碳化工序被制备为具有高比表面积和大孔隙率的多孔碳前体。
[0009]然而，即使是具有高比表面积和大孔隙率的多孔碳前体，在应用于能量装置时在提高能量效率方面也存在局限性。因此，有必要开发一种能够通过提高能量装置的反应性来提高能量效率的多孔碳前体。
[0010][现有技术文献][0011][专利文献][0012](专利文献1)韩国专利公布第2020
‑
0021214号
[0013](专利文献2)韩国专利公布第2012
‑
0063925号

技术实现思路

[0014][技术问题][0015]因此，本专利技术旨在提供一种多孔碳前体，所述多孔碳前体是锂硫二次电池用正极
活性材料中所含的用于硫的载体，所述多孔碳前体能够补偿硫的绝缘性，由此提高导电性并抑制多硫化物从正极溶出。
[0016]因此，本专利技术的一个目的是，提供一种包含具有核
‑
壳结构的MOF的多孔碳前体及其制备方法。
[0017]此外，本专利技术的另一个目的是，提供一种包含所述多孔碳前体的锂二次电池。
[0018][技术方案][0019]为了实现上述目的，本专利技术提供一种具有核
‑
壳结构的多孔碳前体，其中所述核包含第一MOF(金属有机骨架)，并且所述壳包含第二MOF，其中，所述第二MOF掺杂有包括N和S中的至少一种的杂元素。
[0020]本专利技术还提供一种制备多孔碳前体的方法，所述方法包括如下步骤：(S1)对通过将金属前体和第一有机配体前体溶解在有机溶剂中而得到的混合溶液进行加热来形成MOF；(S2)向所述混合溶液中添加含有N和S中的至少一种的第二有机配体并加热以形成具有核
‑
壳结构的MOF；和(S3)将步骤(S2)中形成的具有核
‑
壳结构的MOF进行碳化。
[0021][有益效果][0022]根据本专利技术的多孔碳前体具有核
‑
壳结构，其中核和壳分别包含具有不同孔结构的MOF，因此当用作锂硫二次电池用正极的硫载体时，能够物理上防止从正极产生的多硫化物溶出到电解液中。
[0023]此外，在具有核
‑
壳结构的多孔碳前体中，因为壳包含诸如N或S的杂元素，所以在用作锂硫二次电池用正极的硫载体时，正极中产生的多硫化物由于该杂元素而被良好地物理或化学吸附，由此能够防止多硫化物溶出到电解液中。
附图说明
[0024]图1是示出在根据本专利技术的制备MOF的方法中的形成具有核
‑
壳结构的MOF的过程的示意图。
[0025]图2是分别在实施例1和2以及比较例1中制备的MOF的扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0026]图3是分别在实施例1以及比较例1、2和3中制备的多孔碳前体的XRD(X射线衍射)分析结果的图(2θ级别)。
[0027]图4是分别在实施例1和2以及比较例1、2和3中制备的多孔碳前体的光学显微镜照片。
[0028]图5是示出分别在实施例1和比较例1中制备的MOF及其原料的傅里叶(Fourier)变换红外光谱(FT
‑
IR)分析结果的图。
[0029]图6示出了实施例1中制备的MOF的聚焦离子束能量色散X射线光谱仪(FIB
‑
EDS)测量的结果。
[0030]图7示出了实施例2中制备的多孔碳前体的扫描电子显微镜
‑
能量色散X射线光谱仪(SEM
‑
EDS)测量的结果。
[0031]图8a和图8b分别示出了实施例1和实施例2中制备的多孔碳前体的X射线光电子能谱(XPS)测量的结果。
[0032]图9a至图9c分别示出了实施例和比较例中制备的多孔碳前体的BET分析结果的图。
[0033]图10是示出锂硫二次电池的根据正极中所含的多孔碳前体材料的电化学性能的图。
[0034]图11a和图11b是示出包含实施例1和比较例1的电池在1次循环和30次循环后的容量的图。
[0035]图12a是示出实施例1的多孔碳前体的NMR峰根据合成时间的变化的图，并且图12b是示出实施例1以及比较例1、2和3的NMR峰的变化的图。
[0036]图13是示出包含实施例1和比较例1的多孔碳前体的电极的接触角的测量结果的照片。
具体实施方式
[0037]在下文中，将更详细地描述本专利技术以帮助理解本专利技术。
[0038]本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为限于普通或字典的术语，并且应在专利技术人能够适当定义术语的概念以最佳可能方式来描述他的专利技术的原则的基础上被解释为与本专利技术的技术思想相一致的意义和概念。
[0039]如本文中所使用的，术语“分层结构”是指在具有核
‑
壳结构的多孔碳前体中壳以分离的层的形式被形成的核上的结构。在这种情况下，壳可以全部或部分地形成在核上。
[0040]多孔碳前体
[0041]本专利技术涉及一种具有核
‑
壳结构的多孔碳前体，其中所述核可以包含第一金属有机骨架(MOF)，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有核
‑
壳结构的多孔碳前体，其中所述核包含第一金属有机骨架(MOF)，并且所述壳包含第二MOF，其中，所述第二MOF掺杂有包括N和S中的至少一种的杂元素。2.根据权利要求1所述的多孔碳前体，其中，所述多孔碳前体具有1.5cc/g至4.5cc/g的孔体积。3.根据权利要求1所述的多孔碳前体，其中，所述多孔碳前体具有1500m2/g至3000m2/g的比表面积。4.根据权利要求1所述的多孔碳前体，其中，所述第一MOF和所述第二MOF分别包含金属离子和有机配体。5.根据权利要求4所述的多孔碳前体，其中，所述金属离子为选自如下中的至少一种：Li
+
、Na
+
、K
+
、Rb
+
、Be
2+
、Mg
2+
、Ca
2+
、Sr
2+
、Ba
2+
、Sc
3+
、Y
3+
、Ti
4+
、Zr
4+
、Hf
+
、V
4+
、V
3+
、V
2+
、Nb
3+
、Ta
3+
、Cr
3+
、Mo
3+
、W
3+
、Mn
3+
、Mn
2+
、Re
3+
、Re
2+
、Fe
3+
、Fe
2+
、Ru
3+
、Ru
2+
、Os
3+
、Os
2+
、Co
3+
、Co
2+
、Rh
2+
、Rh
+
、Ir
2+
、Ir
+
、Ni
2+
、Ni
+
、Pd
2+
、Pd
+
、Pt
2+
、Pt
+
、Cu
2+
、Cu
+
、Ag
+
、Au
+
、Zn
2+
、Cd
2+
、Hg
2+
、Al
3+
、Ga
3+
、In
3+
、Tl
3+
、Si
4+
、Si
2+
、Ge
4+
、Ge
2+
、Sn
4+
、Sn
2+
、Pb
4+
、Pb
2+
、As
5+
、As
3+
、As
+
、Sb
5+
、Sb
3+
、Sb
+
、Bi
5+
、Bi
3+
和Bi
+
。6.根据权利要求4所述的多孔碳前体，其中，所述有机配体包括选自如下中的至少一种：卤化物、羧酸根、氰基、异...

【专利技术属性】
技术研发人员：金日土，孙权男，李昌勋，金志媛，金建镐，金东俊，朴智贤，吴书艺，尹瑞英，崔殊彬，
申请(专利权)人：延世大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：