一种MOFs衍生碳气凝胶及其制备方法和在锂离子电池中的应用与流程

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种mofs衍生碳气凝胶及其制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术：

1、能源危机是21世纪人类社会面临的一个重大问题，化石能源消耗完以后，短期内无法在自然界得到补充。锂离子电池凭借其较长的循环寿命、工作电压高、比能量大、安全性能好、能量密度高、自放电小、快速充放电和较宽的工作温度等诸多优点成为最受欢迎的能源储存方式之一。

2、锂离子电池的关键部件包括正极、负极、电解液和隔膜，负极的电化学性能是影响锂离子电池性能的关键因素。目前，锂离子电池常用负极材料为石墨，商业化的石墨负极材料存在理论容量低、层状结构稳定性差、倍率性能不好等缺点，制约着锂离子电池的进一步的发展。因此，目前亟需开发一种具有高稳定性且电化学性能优异的负极材料。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种mofs衍生碳气凝胶及其制备方法和在锂离子电池中的应用。本发明提供的mofs衍生碳气凝胶具有优异的充放电性能，且比容量高，具有极高的倍率性能和超强的循环稳定性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种mofs衍生碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液和cdcl2的甲醇溶液混合进行配位反应，得到[cd(tppa)2cl2]；

5、将所述[cd(tppa)2cl2]在保护气氛下进行碳化，得到mofs衍生碳气凝胶。

6、优选的，所述4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺和cdcl2的摩尔比为6～8:2～3；所述配位反应的温度为室温。

7、优选的，所述将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液和cdcl2的甲醇溶液混合的方式包括方式一或方式二；所述方式一包括以下步骤：将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液滴加到cdcl2的甲醇溶液中；

8、所述方式二包括以下步骤：将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液置于反应容器底部，然后加入二氯甲烷-甲醇混合溶液，之后再加入cdcl2的甲醇溶液；

9、当采用方式一的方法混合时，所述配位反应的时间为20～30h；当采用方式二的方法混合时，所述配位反应的时间为24～27天。

10、优选的，所述[cd(tppa)2cl2]为粉晶或单晶；所述单晶的晶体数据为：属于单斜晶系p21/c，不对称单元中包括一个cdii离子、两个配体tppa分子以及两个氯离子。

11、优选的，所述碳化的温度为800～1000℃，保温时间为3～4h；所述保护气氛为氮气。

12、本发明还提供了上述方案所述制备方法制备得到的mofs衍生碳气凝胶，所述mofs衍生碳气凝胶的密度为0.2～0.4mg/cm3，孔隙率为85～95％。

13、本发明还提供了上述方案所述的的mofs衍生碳气凝胶在作为负极活性材料在锂离子电池中的应用。

14、本发明还提供了一种锂离子电池负极，所述锂离子电池负极采用的负极活性材料为上述方案所述的mofs衍生碳气凝胶。

15、优选的，所述锂离子电池负极包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性材料层；所述活性材料层的成分包括负极活性材料、导电剂和粘结剂。

16、本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极为上述方案所述的锂离子电池负极。

17、本发明提供了一种mofs衍生碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液和cdcl2的甲醇溶液混合进行配位反应，得到[cd(tppa)2cl2]；将所述[cd(tppa)2cl2]在保护气氛下进行煅烧，得到mofs衍生碳气凝胶。本发明首先制备[cd(tppa)2cl2]，[cd(tppa)2cl2]是一种大孔的金属有机框架材料(mofs)，利用其进行碳化，所得mofs衍生碳气凝胶具有多孔、轻质的特点，能够使锂离子在脱嵌锂的过程中有拥有更多的储锂空间，并且在经历多次循环后材料性能保持稳定。本发明的mofs衍生碳气凝胶作为锂离子电池的负极活性材料使用，电化学性能十分优异，不仅拥有超长的循环能力和极高的倍率性能，而且小电流密度下的可逆容量很高，有希望替代石墨，成为新一代锂离子电池商业化的负极材料。

18、实施例结果表明，采用本发明的mofs衍生碳气凝胶作为负极活性材料制备锂离子电池，所得锂离子电池的工作电压在0.01～3.5v之间，在0.5a/g电流密度下循环170圈后的放电比容量高达500mah/g，在10a/g大电流密度下，能稳定循环10000圈。

技术特征：

1.一种mofs衍生碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺和cdcl2的摩尔比为6～8:2～3；所述配位反应的温度为室温。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液和cdcl2的甲醇溶液混合的方式包括方式一或方式二；所述方式一包括以下步骤：将4,4'4”-三(4-吡啶基)三苯胺的二氯甲烷溶液滴加到cdcl2的甲醇溶液中；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述[cd(tppa)2cl2]为粉晶或单晶；所述单晶的晶体数据为：属于单斜晶系p21/c，不对称单元中包括一个cdii离子、两个配体tppa分子以及两个氯离子。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化的温度为800～1000℃，保温时间为3～4h；所述保护气氛为氮气。

6.权利要求1～5任意一项所述制备方法制备得到的mofs衍生碳气凝胶，其特征在于，所述mofs衍生碳气凝胶的密度为0.2～0.4mg/cm3，孔隙率为85～95％。

7.权利要求6所述的的mofs衍生碳气凝胶在作为负极活性材料在锂离子电池中的应用。

8.一种锂离子电池负极，其特征在于，所述锂离子电池负极采用的负极活性材料为权利要求6所述的mofs衍生碳气凝胶。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述锂离子电池负极包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性材料层；所述活性材料层的成分包括负极活性材料、导电剂和粘结剂。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的负极为权利要求8或9所述的锂离子电池负极。

技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，提供了一种MOFs衍生碳气凝胶及其制备方法和在锂离子电池中的应用。本发明首先制备[Cd(tppa)<subgt;2</subgt;Cl<subgt;2</subgt;]，[Cd(tppa)<subgt;2</subgt;Cl<subgt;2</subgt;]是一种大孔的金属有机框架材料(MOFs)，利用其进行碳化，所得MOFs衍生碳气凝胶具有多孔、轻质的特点，能够使锂离子在脱嵌锂的过程中有拥有更多的储锂空间，并且在经历多次循环后材料性能保持稳定。本发明的MOFs衍生碳气凝胶作为锂离子电池的负极活性材料使用，电化学性能十分优异，不仅拥有超长的循环能力和极高的倍率性能，而且小电流密度下的可逆容量很高，有希望替代石墨，成为新一代锂离子电池商业化的负极材料。

技术研发人员：李佐习,方巷,张丽莹
受保护的技术使用者：苏州芼孚士科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11