金属有机框架化合物衍生材料在锂硫电池中的应用研究

【作者】 陈人杰； 李万隆； 吴锋；

【机构】 北京理工大学材料学院环境科学与工程北京市重点实验室；

【摘要】 本研究基于硫正极的导电性差和多硫化物的溶解穿梭问题,选用金属有机框架化合物(MOFs)为模板,制备了隔膜改性材料和活性物质硫的载体材料来提升锂硫电池的电化学性能。具体研究工作如下:(1)以ZIF-8为模板,通过高温碳化和简单的酸化处理,制备了含氧官能团修饰的氮掺杂微孔碳(OMNC),并通过常规的涂覆方法制备了OMNC改性隔膜。OMNC可以通过物理和化学吸附作用抑制多硫化物的穿梭,同时还可以作为硫正极的上层集流体促进电子传导,提升活性物质的利用率。含氧官能团的引入可以增强隔膜的电解液浸润性,从而促进离子的传输。OMNC改性隔膜有效提高了碳纳米管/硫复合正极的电化学性能,如图1(a)所示。(2)将锌、钴双金属ZIFs(BMZIFs)原位生长在氧化石墨烯的两面,然后通过高温碳化和简单的硫化处理合成了超细CoS2纳米粒子镶嵌的碳纳米片(CoS2-LBLCN),作为硫的载体材料。具有分级孔道结构和大比表面积的碳纳米片可以有效吸附多硫化物,缓解硫在充放电过程中的体积变化。致密生长在还原氧化石墨烯上的BMZIFs衍生多孔碳使该碳纳米片具有良好的电子传导性和界面连通性,并能增强电解液的浸润性,有效促进电子和离子的传输。此外,具有较强亲硫性的超细CoS2纳米粒子可以化学吸附多硫化物并通过催化作用加速多硫化物的转化反应,从而提升硫正极的倍率性能和循环稳定性,如图1(b)所示。更多还原