一种嵌有MoC/WC量子点的氮掺杂碳多面体材料及其制备方法及一种锂硫电池

本发明属于锂硫电池隔膜改性材料，涉及一种嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料及其制备方法及一种锂硫电池。

背景技术：

1、电化学储能装置以化学能的形式存储电能，在需要的时候又以电能的形式释放出来，因此是一种非常合适的储能系统。以硫阴极和金属锂阳极组成的锂硫电池具有极高的理论比容量(1675mah g-1)和理论比能量(2600wh kg-1)，正在全球引起广泛关注。重要的是，硫的天然丰富度和低成本保证了锂硫电池是一种环保和高潜力的储能装置。而且，金属锂具有重量轻、标准电位低的优点，也是一种很有前景的能源系统。硫和多硫化物(li2sx)是电绝缘的，li2sx多硫化物可能溶解在液体电解质中，在转化反应期间，体积可能会发生变化。在充放电过程中，阴极的可溶性多硫化物可能会通过隔膜与阳极中的锂金属发生反应，形成不溶性li2s和li2s2，从而产生“穿梭效应”，导致电池的循环寿命短、硫的利用率低、效率低和容量衰减快。

2、针对以上问题，最有效的方法可归类为锂硫电池中三个重要组件的改进，即阴极、隔膜和功能层。包括硫正极主体的构建，隔膜的修饰，阴极和隔膜之间功能层的制造以及电解质系统的调节。其中，通过对隔膜的修饰来捕获和限制多硫化物的穿梭，是一种有效的方法来优化电池性能。过渡金属碳化物因其优异的电化学活性、高导电性和化学稳定性被用于隔膜修饰，但是由于纳米颗粒易团聚，很难控制纳米级产品的合成，同时无法有效控制纳米颗粒的尺寸均一性，导致对电池性能的改进有限。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料及其制备方法及一种锂硫电池，从而解决现有技术在制备过渡金属碳化物过程中由于纳米颗粒的团聚，很难控制纳米级产品的合成，同时无法有效控制纳米颗粒的尺寸均一性，导致对电池性能的改进有限的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：将乙酸锌、钼酸、钨酸、聚乙烯吡咯烷酮以及二甲基咪唑加入n,n-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解后，制得hzif-znmow；

5、s2：将所述hzif-znmow退火处理后制得所述嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料。

6、优选地，步骤s1中，乙酸锌与钼酸以及钨酸的质量比为(3～6):(0.5～1):(0.5～1)。

7、优选地，步骤s1中，所述乙酸锌与二甲基咪唑的质量比为(3～6):(2～5)。

8、优选地，步骤s1中，搅拌温度为80℃～200℃，搅拌时间为6～12h。

9、优选地，步骤s2之前，还包括对制得的hzif-znmow进行干燥处理，所述干燥处理过程中，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为6～12h。

10、优选地，步骤s2中，退火处理过程中，退火温度为500℃～1200℃，退火时间为0.5～6h。

11、一种嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料，通过权利要求1～6中任意一项所述的方法制得。

12、一种锂硫电池隔膜，通过上述的嵌有moc/wc量子点的氮掺杂多面体材料制得，包括以下步骤：

13、s11：将所述嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料加入pvdf中，搅拌混合均匀，制得隔膜改性液；

14、s12：将所述隔膜改性液均匀涂覆在pp隔膜上，制得所述锂硫电池隔膜。

15、优选地，步骤s11中，所述嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料与pvdf的质量比为(6～9):(4～1)。

16、一种锂硫电池，包含上述的一种锂硫电池隔膜，所述锂硫电池在1c的电流密度下，经过1000次循环后放电比容量为550～700mah/g。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明公开一种嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料的制备方法，首先将乙酸锌、钼酸、钨酸、聚乙烯吡咯烷酮以及二甲基咪唑加入n,n-二甲基甲酰胺中，充分搅拌至完全溶解后，制得hzif-znmow，该材料为金属位点上设置有zn离子、mo离子以及w离子的hzif框架材料；然后对该材料进行退火处理，退火后，mo离子以及w离子被还原为moc量子点以及wc量子点，zn离子被气化，hzif框架形成氮掺杂碳的多面体碳骨架，同时，moc量子点以及wc量子点本身的催化性能使得hzif框架材料在碳化过程中形成石墨化的碳，包裹在moc量子点以及wc量子点的表面，有效防止了moc量子点以及wc量子点的团聚，形成的包裹有石墨片的moc量子点以及wc量子点嵌在氮掺杂碳的多面体碳骨架中。该方法有效控制了moc量子点以及wc量子点的尺寸，确保了产物的尺寸均一性；同时利用hzif作自模板，在高温退火后，可以保持其原有的形貌，使得产物具有高的机械强度，以维持hzif材料高的孔隙率。该材料中由于嵌入有尺寸均一的moc/wc量子点，因而具有较好的催化转化能力，将其用作锂硫电池的隔膜改性，可有效促进多硫化物的催化转化并改善锂硫电池的穿梭效应，提高了电池的充放电比容量，降低了反应过程中的容量衰减率，具有优异的电化学性能，适合规模化生产。该制备方法安全简单，制备周期短，所需设备简单，所制备的产物量子点尺寸均一，外层被石墨片包覆，一方面有效防止了量子点团聚而成较大的颗粒，另一方面该石墨片具有良好的导电性能、吸附性能和催化性能。

19、进一步的，所述乙酸锌与钼酸以及钨酸的质量比为(3～6)：(0.5～1)：(0.5～1)，可充分使得金属离子掺杂至hzif框架结构中。

20、进一步的，所述乙酸锌与二甲基咪唑的质量比为(3～6):(2～5)，可充分确保合成hzif-znmow。

21、进一步的，步骤s1中，搅拌温度为80℃～200℃，搅拌时间为6～12h，可使得乙酸锌、钼酸、钨酸、聚乙烯吡咯烷酮以及二甲基咪唑充分溶解，得到均一的体系，确保得到产物的均一性。

22、进一步的，步骤s2之前，还包括对制得的hzif-znmow进行干燥处理，所述干燥处理过程中，干燥温度为60℃～100℃，干燥时间为6～12h，可充分去除材料中的水分，避免在后续退火处理过程中对产物化学组成以及物理结构的影响，确保产物的纯度以及尺寸均一性。

23、进一步的，步骤s2中，退火处理过程中，退火温度为500℃～1200℃，退火时间为0.5～6h，该退火条件可使得hzif框架材料充分碳化，也使得锌充分气化，同时将钼离子和钨离子还原成碳化物，得到尺寸均一的moc/wc量子点，同时hzif框架材料碳化后部分形成石墨片包裹在moc/wc量子点的外层。

24、同时，本发明还公开了通过上述的方法得到的嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料。

25、另外，本发明还公开了通过上述方法制得的嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料制备的一种锂硫电池隔膜。通过本发明中的嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料制得，在制备过程中，首先将嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料加入pvdf中，然后涂覆在pp隔膜，即得到该锂硫电池隔膜，制备方法简单，设计合理，易于规模化开发应用。

26、进一步的，嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料与pvdf的质量比为(6～9):(4～1)，可有效使得嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料粘附在pp基底膜上，同时干燥后嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料不会被pvdf包裹，确保了嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料性能的发挥，如果pvdf的含量过少，嵌有moc/wc量子点的氮掺杂碳多面体材料在pp基底膜上的附着力不牢固，导致电池的性能降低。

27、同时，本发明还公开了包含有上述锂硫电池隔膜的一种锂硫电池，该锂硫电池在1c的电流密度下，经过1000次循环后放电比容量为550～700mah/g，具备优异的电学性能。