CN102751494A

CN102751494A - 新型多孔骨架MIL-101(Cr)@S/石墨烯锂硫电池正极复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102751494A
Application number: CN2012102352576A
Authority: CN
Inventors: 赵祯霞; 施志聪; 陈国华; 邓胜男
Original assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Current assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明公开一种锂硫电池正极材料金属有机骨架MIL-101(Cr)S/石墨烯复合材料的制备方法，其利用熔融扩散法将硫均匀负载到MIL-101(Cr)的三维孔道之中，再与石墨烯混合制备成MIL-101(Cr)S/石墨烯复合材料。复合材料中的金属有机骨架晶体材料具有超高的比表面积、孔容以及中微双孔的骨架结构，起到分散和固定硫颗粒的双重功效，再利用石墨烯提高复合材料整体的导电性，起到减弱材料的极化、提高放电倍率性能以及库伦效率等作用。电化学性能测试表明，此方法制备的MIL-101(Cr)S/石墨烯复合材料在倍率为0.1C下的放电比容量可高达1087mAh/g、0.8C和2.4C下循环116和150次其放电比容量分别保持在807和387mAh/g。本发明的优势在于：过程简单，操作方便，材料性能优异等特点，适合大规模工业化生产。

Description

新型多孔骨架MIL-101(Cr)@S/石墨烯锂硫电池正极复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料化学领域，涉及以多孔材料为骨架，通过熔融-扩散-吸附等过程将硫组分以纳米颗粒固定在多孔材料的孔道内，再与石墨烯混合，具体涉及一种新型多孔骨架MIL-101(Cr)@S/石墨烯锂硫电池正极复合材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池是采用单质硫(或含硫化合物)为正极，金属锂为负极，通过硫与锂之间的化学反应实现化学能和电能相互转化的一类锂二次电池。与锂离子二次电池相比，锂硫电池具有很高的理论容量，最高可达2600 Wh/kg，是一种高能量密度、环境友好且廉价易得的二次电池，因此被认为是未来动力电池应用的主要代表之一，且极具规模化应用价值。

然而，受限于硫及其放电产物硫化锂的导电性差，以及在充放电过程中所形成的一系列多硫化锂的中间产物易溶于电解液等特性，锂硫电池仍存在硫正极利用率较低和循环性能差等缺点，成为阻碍锂硫电池实际应用的最大瓶颈。如果能将硫以微小粒度形式均匀地分散于一种多孔材料之中，一方面可以有效提高硫的利用率；另一方面，利用多孔材料的表面吸附作用又可以有效降低硫及其系列放电产物多硫化锂在正极片上的流失。因此，将硫与多孔材料复合可以制备出高容量且循环性能优异的锂硫正极材料。

目前，人们多采用介孔炭材料或石墨烯等材料包覆硫制备锂硫电池的正极材料，目的在于提高硫的导电性，同时将硫组分与电解液隔离尽量减少活性组分的流失以提高锂硫电池的循环性能。但是，此类炭材料与硫的复合不能将活性组分硫很好的分散在材料表面；同时，介孔炭材料的孔径通常大于2nm，不能与硫组分形成较强的作用力，因此不能有效阻止硫组分的流失。

MIL-101(Cr)主要是通过Cr³⁺离子与对苯二酸配位而形成的一种金属有机骨架(简称：MOFs)材料。MIL-101(Cr)具有超高的比表面积（5900 m²/g）和孔容（2.3 cm³/g），为材料提供了巨大的表面能，吸附容量大。同时，MIL-101(Cr)具有小孔和大笼的骨架结构：其中窗口孔径分别为12和14.5*16Ǻ，属微孔尺度，可对小分子组分(分子直径小于12 Ǻ)形成较强的吸附力；而由微孔组成的笼状结构分别为29和34 Ǻ，属介孔尺度，可以为材料提供大量的空间进而提高其吸附容量。与介孔炭材料相比，MIL-101(Cr)不仅拥有更高的比表面积和孔容，可以提高对硫的吸附容量，而且中微双孔的骨架结构可以与硫单质和硫离子形成更强的作用力，进而有利于提高硫的利用率和材料的循环性能。

然而MIL-101(Cr)和硫这两种材料的导电性均不佳，因此，所制备出的MIL-101(Cr)/S复合材料的导电性也不佳，这势必会对锂硫正极材料的电化学性能（如库伦效率，极化和比容量）产生负面影响。通常，在电池正极材料中加入一定量的导电剂（如炭黑和乙炔黑等）能适当提升材料的导电性能。但是由于导电剂材料通常以颗粒形式存在与正极材料之中，无法均匀覆盖在活性材料的表面，而不能形成有效的导电网络。因此，不易获得倍率性能好，比容量高且循环性能佳的锂硫正极材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有介孔炭材料和石墨烯包覆硫分散不均和循环性能差等缺陷，提供一种利用多孔材料载硫再与石墨烯复合的锂硫正极材料的制备方法。本发明先采用熔融-扩散-吸附的方法将硫负载在MIL-101(Cr)多孔材料之中，再与石墨烯混合，制备出一种新型的MOF@S/石墨烯复合材料。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

(1) MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：

将2.0-2.4 g的Cr(NO₃)₃·9H₂O和0.833-0.996 g的对苯二酸H₂BDC溶解于30-50mL去离子水中，再加入0.26 -0.30 mL的HF，充分溶解后将溶液移入50-100 mL容量的聚四氟乙烯反应罐内，再将反应罐置于不锈钢外套中并密封；将反应罐放入程序升温炉中进行水热反应，升温程序为：以5-10 ºC/min将溶液从室温加热至210-220 ºC，并保持8-10 h，之后再以0.4-0.6 ºC/min的降温速率将溶液降至室温；待溶液冷却至室温后，将结晶物依次进行水洗、二甲基甲酰胺（DMF）洗和乙醇洗后离心，过滤，干燥，制得MIL-101(Cr)金属有机骨架材料。

(2) 金属有机骨架MIL-101(Cr)@S复合材料的制备：

将重量比例为(1.6-3.2)S/1.0MIL-101(Cr)的硫和MIL-101(Cr)球磨混料，然后将球磨后的粉末放入程序升温炉中进行热处理，最终得到MIL-101(Cr)@S复合材料。

(3) MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的制备：

将重量比例为1.0石墨烯/(2-10) MIL-101(Cr)@S球磨混料，150-200 °C烘干保存，最终得到MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料。

本发明步骤（2）中，所述硫和MIL-101(Cr)的重量比为：1.6-3.2/1.0。

本发明步骤（2）中，所述球磨条件为：转速为250-400转/min；球磨时间为2-6 小时。

本发明步骤（2）中，所述程序升温的过程包括以下步骤：

1. 升温过程：以0.3-1.0 ºC/min的速度将球磨后的粉末从室温升至150-200 ºC；

2. 恒温过程：将MIL-101(Cr)和硫的共混体在150-200 ºC保持1-3 h；

3. 降温过程：以5-10 ºC/min的速度将前驱体溶液从150-200 ºC降至室温。

本发明步骤（3）中，所述球磨条件为：转速为100-400转/min；球磨时间为1-5 小时。

本发明步骤（3）中，所述MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的烘干温度为：150-200 ºC，烘干时间为3-10 h。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明将活性组分硫负载于大比表面积、高孔容且具有中微两种孔结构的MIL-101(Cr)材料中，可以有效提高硫组分与载体的附着力，进而起到固定硫及其反应产物硫离子的作用，促进锂硫电池的循环性能。

（2）本发明通过熔融-扩散-吸附方式将硫负载于MIL-101(Cr)多孔材料而形成MIL-101(Cr)@S复合材料，能使硫组分以纳米小颗粒形式均匀地铺展在MIL-101(Cr)的骨架内。

（3）本发明将石墨烯添加到MIL-101(Cr)@S材料之中，以片层结构为MIL-101(Cr)@S搭建起一个导电网络，提高了正极材料的导电性能，有助于改善正极材料的倍率性能和提高其放电比容量。

（4）本发明的制备方法简单易操作，适合大规模工业生产。

附图说明

图 1是本发明实施例一MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的SEM照片；

图 2是本发明实施例一MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的倍率充放电曲线图；

图 3是本发明实施例一MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的倍率性能图；

图 4 是本发明实施例一MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的0.8C（1344 mA/g）倍率下的循环性能图；

图 5 是本发明实施例一MIL-101(Cr)@S-1复合物的2.4C（4032 mA/g）倍率下的循环性能图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施例具体说明本发明。应当理解，本发明的范围不应局限于实施例的范围。任何不偏离本发明主旨的变化或改变能够为本领域的技术人员所理解。本发明的保护范围由所附权利要求的范围确定。

实施例 1

(1) MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：将2.0 g的Cr(NO₃)₃·9H₂O和0.833 g的对苯二酸H₂BDC溶解于30 mL去离子水中，再加入0.26 mL的HF，充分溶解后将溶液移入50 mL容量的聚四氟乙烯反应罐内，再将反应罐置于不锈钢外套中并密封；将反应罐放入程序升温炉中进行水热反应，升温程序为：以5 ºC/min将溶液从室温加热至210 ºC，并保持8 h，之后再以0.4 ºC/min的降温速率将溶液降至室温；待溶液冷却至室温后，将结晶物依次进行水洗、二甲基甲酰胺（DMF）洗和乙醇洗后离心，过滤，干燥，制得MIL-101(Cr)金属有机骨架材料。(2) 金属有机骨架MIL-101(Cr)@S复合材料的制备：将重量比例为1.6/1.0的硫和MIL-101(Cr)球磨混料，球磨混料的条件为：转速为250转/min；球磨时间为6 小时。然后将球磨后的粉末放入程序升温炉中进行热处理，热处理的条件为：以0.3 ºC/min的速度从室温升至200 ºC保持1 h；再以5 ºC/min的速度降至室温，得到MIL-101(Cr)@S-1复合材料。(3) MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的制备：将重量比例为1.0/2.0的石墨烯和MIL-101(Cr)@S复合材料球磨混料，球磨混料的条件为：转速为100转/min；球磨时间为5小时；然后放入烘箱150 °C干燥10 h，最终得到MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料。

实施例 2

(1) MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：将2.2 g的Cr(NO₃)₃·9H₂O和0.900 g的对苯二酸H₂BDC溶解于40 mL去离子水中，再加入0.28 mL的HF，充分溶解后将溶液移入100 mL容量的聚四氟乙烯反应罐内，再将反应罐置于不锈钢外套中并密封；将反应罐放入程序升温炉中进行水热反应，升温程序为：以8.0 ºC/min将溶液从室温加热至220 ºC，并保持9 h，之后再以0.5 ºC/min的降温速率将溶液降至室温；待溶液冷却至室温后，将结晶物依次进行水洗、二甲基甲酰胺（DMF）洗和乙醇洗后离心，过滤，干燥，制得MIL-101(Cr)金属有机骨架材料。(2) 金属有机骨架MIL-101(Cr)@S复合材料的制备：将重量比例为2.4/1.0的硫和MIL-101(Cr)球磨混料，球磨混料的条件为：转速为350转/min；球磨时间为4 小时。然后将球磨后的粉末放入程序升温炉中进行热处理，热处理的条件为：以0.7 ºC/min的速度从室温升至175 ºC保持2 h；再以8 ºC/min的速度降至室温，得到MIL-101(Cr)@S-1复合材料。(3) MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的制备：将重量比例为1.0/6.0的石墨烯和MIL-101(Cr)@S复合材料球磨混料，球磨混料的条件为：转速为300转/min；球磨时间为2小时；然后放入烘箱175 °C干燥7 h，最终得到MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料。

实施例 3

(1) MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：将2.4 g的Cr(NO₃)₃·9H₂O和0.996 g的对苯二酸H₂BDC溶解于50 mL去离子水中，再加入0.30 mL的HF，充分溶解后将溶液移入100 mL容量的聚四氟乙烯反应罐内，再将反应罐置于不锈钢外套中并密封；将反应罐放入程序升温炉中进行水热反应，升温程序为：以10.0 ºC/min将溶液从室温加热至220 ºC，并保持10 h，之后再以0.6 ºC/min的降温速率将溶液降至室温；待溶液冷却至室温后，将结晶物依次进行水洗、二甲基甲酰胺（DMF）洗和乙醇洗后离心，过滤，干燥，制得MIL-101(Cr)金属有机骨架材料。(2) 金属有机骨架MIL-101(Cr)@S复合材料的制备：将重量比例为3.2/1.0的硫和MIL-101(Cr)球磨混料，球磨混料的条件为：转速为400转/min；球磨时间为2 小时。然后将球磨后的粉末放入程序升温炉中进行热处理，热处理的条件为：以1.0 ºC/min的速度从室温升至150 ºC保持3 h；再以10 ºC/min的速度降至室温，得到MIL-101(Cr)@S-1复合材料。(3) MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的制备：将重量比例为1.0/10的石墨烯和MIL-101(Cr)@S复合材料球磨混料，球磨混料的条件为：转速为400转/min；球磨时间为1小时；然后放入烘箱200 °C干燥3 h，最终得到MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料。

实例分析

MIL-101(Cr)@S/ 石墨烯复合材料的 SEM 照片

图1示出了MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的SEM照片。从图1中可以看出，硫组分基本进入MIL-101(Cr)的骨架之中，因此颗粒表面未见硫颗粒及其团聚物。同时，MIL-101(Cr)颗粒大小均匀，约在100-200 nm之间，大部分的MIL-101(Cr)颗粒都附着在片状石墨烯之上，能与石墨烯充分接触。

石墨烯复合材料的电化学性能

图2示出了MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料在不同充放电倍率0.1C、0.2C、0.8C、1.6C和3.0C下的首圈充放电曲线。从电池的倍率充放电曲线可以看出，随着倍率的变化，电池的放电平台始终保持两个（～2.3V和～2.1V），说明了MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的结构稳定，有利于保持电池的高比能量。

图3示出了MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料在不同放电倍率0.1C、0.2C、0.4C、0.8C、1.6C、2.4C和3.0C下的倍率性能图。由图3所示，电池在0.1C、0.2C、0.4C、0.8C、2.4C和3.0C下的放电比容量依次为1003、941、 754、665、587、525和483 mAh/g；当放电倍率从3.0减小为0.1C时，材料的放电比容量从483 mAh/g增加为978 mAh/g。同时，随着放电倍率的增加，材料的库伦效率有增加的趋势。由此可见，材料在所测试倍率变化过程，材料的循环曲线平稳，放电容量恢复性好，充分的体现了本材料的高放电比容量和优异倍率性能。

图4和图5示出了MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料在放电倍率为0.8C和2.4C下的循环性能图。如图所示，材料在0.8C和2.4C的放电倍率下循环100圈和140圈后，其放电比容量分别保持在800和398 mAh/g，其库伦效率分别高达97.7和97.1%其容量保持率分别为94.3和81.2%。这说明，MIL-101(Cr)@S复合材料中的MIL-101(Cr)很好地起到了固硫的作用，而复合材料中的石墨烯可以充分与MIL-101(Cr)接触，形成连通的导电网络，进而提高了材料的库伦效率和充放电比容量和循环性能。

Claims

1.采用熔融扩散法制备高容量和优良循环性能的金属有机骨架MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合物的制备方法，其特征在于：利用以MIL-101(Cr)超高的比表面积、孔融和规整的中微双孔的三维骨架结构，将硫组分以纳米颗粒的形式吸附于孔道之中，起到固硫和分散硫的双重作用，再利用石墨烯优异的导电性提高材料整体的导电性、以解决锂硫电池的正极材料中活性组分硫导电性差所导致的硫组分利用率低、极化大以及在电解液中的溶解所导致电池容量衰减过快的等问题，包括如下步骤：

(1) MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：

将2.0-2.4 g的Cr(NO₃)₃·9H₂O和0.833-0.996 g的对苯二酸H₂BDC溶解于30-50mL去离子水中，再加入0.26 -0.30 mL的HF，充分溶解后将溶液移入50-100 mL容量的聚四氟乙烯反应罐内，再将反应罐置于不锈钢外套中并密封；将反应罐放入程序升温炉中进行水热反应，升温程序为：以5-10 ºC/min将溶液从室温加热至210-220 ºC，并保持8-10 h，之后再以0.4-0.6 ºC/min的降温速率将溶液降至室温；待溶液冷却至室温后，将结晶物依次进行水洗、二甲基甲酰胺（DMF）洗和乙醇洗后离心，过滤，干燥，制得MIL-101(Cr)金属有机骨架材料

(2) 金属有机骨架MIL-101(Cr)@S复合材料的制备：

将重量比例为(1.6-3.2)S/1.0MIL-101(Cr)的硫和MIL-101(Cr)球磨混料，然后将球磨后的粉末放入程序升温炉中进行热处理，最终得到MIL-101(Cr)@S复合材料

(3) MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的制备：

将重量比例为1.0石墨烯（商用）/(2-10) MIL-101(Cr)@S球磨混料，150-200 °C烘干，最终得到MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述硫和MIL-101(Cr)的重量比为：1.6-3.2/1.0。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述球磨条件为：转速为250-400转/min；球磨时间为2-6 小时。

4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述程序升温的过程包括以下步骤：

(1) 升温过程：以0.3-1.0 ºC/min的速度将球磨后的粉末从室温升至150-200 ºC；

(2) 恒温过程：将MIL-101(Cr)和硫的共混体在150-200 ºC保持1-3 h；

(3) 降温过程：以5-10 ºC/min的速度将前驱体溶液从150-200 ºC降至室温。

5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述球磨条件为：转速为100-400转/min；球磨时间为1-5 小时。

6.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述MIL-101(Cr)@S/石墨烯复合材料的烘干条件为：干燥温度为：150-200 ºC；干燥时间为：3-10 h。