一種基于金屬有機骨架結構合成二氧化鈦和碳復合材料的方法及應用與流程

文檔序號：11410009閱讀：663來源：國知局

本發(fā)明屬于能源材料技術領域，涉及一種tio2/c/s復合材料的制備方法及應用，尤其涉及基于金屬有機骨架結構合成二氧化鈦和碳復合材料的方法及應用。

背景技術：

鋰硫電池以金屬鋰為負極、單質硫為正極，理論比能量可達2600wh/kg，遠大于現(xiàn)階段所使用的商業(yè)化二次電池。此外，硫的來源廣泛、價格低廉、環(huán)境友好，因此鋰硫電池被認為是極具潛力的新一代高能量密度儲能體系。

但是，目前鋰硫電池面臨著以下三大問題：（1）硫正極為絕緣體材料；（2）硫正極的中間放電產(chǎn)物存在嚴重的穿梭效應；（3）硫在充放電過程中存在嚴重的體積膨脹。正是這些限制因素制約著鋰硫電池的商業(yè)化應用，無法滿足人們的需求。因此開發(fā)具有高能量密度及長循環(huán)穩(wěn)定性的硫正極材料是實現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化的著力點。

金屬有機骨架結構（mofs）是一類具有高比表面積、穩(wěn)定骨架結構、孔徑可調的材料。這類材料經(jīng)過煅燒之后可以得到碳材料、碳和金屬的復合物或者金屬氧化物。由于這類材料煅燒后產(chǎn)物具有高導電性、穩(wěn)定的骨架結構及多孔性，因此可以用作硫正極的載體。金屬氧化物與硫之間強烈的路易斯酸堿作用可以很好地限制多硫聚物的溶解及抑制穿梭效應。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有鋰硫電池正極材料的不足，提供了一種基于金屬有機骨架結構合成二氧化鈦和碳復合材料的方法及應用，通過高溫處理mof制備的tio2/c復合材料由于碳的存在具有優(yōu)秀的導電性，可以很好解決單質硫絕緣性的問題，另外tio2作為鋰硫電池正極材料能夠通過與多硫聚物形成強的路易斯酸堿作用，從而抑制多硫化鋰的穿梭效應，整體上提升鋰硫電池的電化學性能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于金屬有機骨架結構合成二氧化鈦和碳復合材料的方法，包括如下步驟：

步驟（1）：通過水熱法制備ti-mof：將0.2~0.3ml鈦酸四丁酯、0.4~0.6g對苯二甲酸依次加入到10~15mldmf和甲醇的混合溶液中，攪拌均勻，加入到聚四乙烯反應釜中進行水熱反應，反應結束后經(jīng)離心分離、清洗、干燥后，得到ti-mof。

本步驟中，所述水熱反應溫度為120~170℃，時間為10~15h；dmf和甲醇的混合溶液中，dmf和甲醇的體積比為9:1。

步驟（2）：將步驟（1）得到的ti-mof置于管式爐中，在惰性氣體保護的條件下，高溫處理得到tio2/c復合材料。

所述高溫處理ti-mof的溫度為600~1000℃，時間為1~5h。

步驟（3）：將步驟（2）得到的tio2/c復合材料與單質硫混合，在惰性氣體保護下加熱熔融后冷卻到室溫，得到tio2/c/s復合材料料。

本步驟中，所述tio2/c復合材料與單質硫的質量比為1:1~6；加熱熔融的溫度為150~180℃，時間為10~15h。

上述方法制備的tio2/c/s復合材料可應用于鋰硫電池正極中。

本發(fā)明具有如下有益效果：

（1）tio2對鋰硫電池放電中間產(chǎn)物li2sn(4≤n≤8)有很強的吸附作用，能夠抑制穿梭效應。

（2）tio2外層包覆的碳層具有很好的導電性，能夠有效地提升復合物整體的電子導電率和離子導電率。

（3）燒結后的tio2/c復合物的比表面積大，同時具有大量的微孔、介孔結構，能夠有效地抑制鋰硫電池放電時體積膨脹的問題。在電流密度為0.1c，首次放電1200mah/g，充放電下循環(huán)100圈后，容量保留率達67%。

（4）制作原料廉價、無污染，制備過程清潔環(huán)保，同時能夠提升鋰硫電池的循環(huán)性能。

附圖說明

圖1為不同倍率下本發(fā)明制備的tio2/c/s復合材料的sem圖；

圖2為本發(fā)明制備的tio2/c/s復合材料作為鋰硫電池正極時的首次充放電曲線圖；

圖3為本發(fā)明制備的tio2/c/s復合材料作為鋰硫電池正極時的0.1c放電循環(huán)曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

實施例1

（1）稱取0.5g對苯二甲酸，加入到dmf和甲醇的混合溶液中（1ml甲醇溶劑，9mldmf溶劑），在攪拌過程中緩慢滴加0.26ml鈦酸四丁酯，連續(xù)攪拌30min，將混合溶液轉移到聚四氟乙烯反應釜中，在120℃下水熱反應12h，待溫度降下來后，甲醇離心洗滌三次以上，繼而在40℃烘箱干燥24h，得到白色ti-mof粉末。

（2）稱取已制備的白色ti-mof粉末50mg，研磨均勻，在氬氣下以5℃/min的升溫速率，600℃煅燒2h，待溫度冷卻后，得到黑色粉末tio2/c復合材料。