[發明專利]一種用于鋰硫電池的N/S共摻雜多孔碳的制備方法

有效

• 申請號: 201910634778.0
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN110510595B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 劉興泉;劉金濤;陳俊松;冉淇文;郝帥;李蕾;李浩;胡友作;肖雨
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于無機非金屬功能材料技術領域，具體提供一種用于鋰硫電池的N/S共摻雜多孔碳的制備方法，采用天然生物質材料(尤其銀杏果果肉)作為碳前驅體，來源廣泛、成本低廉；采用溫和的納米碳酸鈣作為碳化模板，在較低濃度的酸性溶液中即可去除，對環境影響較小；并且，整個制備工藝簡單易行，有利于工業化生產。本發明合成得到的雜原子摻雜多孔碳具有較高的石墨化度，均一的孔徑分布，較高的比表面積；應用于鋰硫電池正極材料，展現了優異的比容量和循環穩定性以及倍率性能，能夠有效克服現有鋰硫電池硫正極導電性差、充放電過程中活性物質的顯著體積膨脹、嚴重的穿梭效應和多硫化物的溶解等缺陷。

技術領域

本發明屬于無機非金屬功能材料技術領域，涉及多孔碳鋰硫電池正極材料的制備方法，具體是一種用于高性能鋰硫電池正極材料的天然生物質衍生的N/S共摻雜多孔碳及其制備方法。

背景技術

鋰硫電池擁有較高的理論比容量(1675mAh?g^-1)和理論能量密度(2600Wh?kg^-1)，其比容量和能量密度是當前鋰離子電池的三至四倍左右，能滿足人類對日益增長的高能量密度儲能設備的需求；此外，硫正極具有資源豐富、低消耗、環境友好等優點。因此，鋰硫電池被視為是最具應用前景的儲能設備的備選之一。然而，硫正極的絕緣性、充放電過程中多硫化物中間體的穿梭效應、多硫化物在電解液中的溶解以及硫的體積膨脹導致硫正極的活性物質利用率降低，最終導致電池的循環性能變差，從而制約了鋰硫電池的進一步商業化。

為了解決以上技術瓶頸，使具有高能量密度的鋰硫電池早日商業化，許多研究者進行了諸多的硫正極結構的優化和設計，其中最為有效的方法是設計具有較高比表面積的多孔碳主格結構來負載更多活性硫，提高硫正極的導電性和活性物質的利用率，物理吸附多硫化物，抑制充放電過程中硫的體積膨脹。然而，多硫化物是化學極性的物質，而多孔碳是非化學極性的物質，兩者的吸附能很低，致使多硫化物的穿梭效應改善不是很明顯，最終導致電池循環性能沒能得到大幅度提高。因此，設計先進的具有化學親和性的多孔碳主格結構是提高鋰硫電池電性能的關鍵。異質摻雜雜原子(如O、N、B、S、P等)進入多孔碳結構不僅能創造更多缺陷來提高多孔碳的導電性，而且能創造更多極性活性位點來化學吸附多硫化物，從而更有效的抑制多硫化物的穿梭效應。生物質材料是一種理想的多孔碳前驅體，其來源廣泛、資源豐富，且生物質材料中富含諸多官能團，在碳化過程中官能團能裂解形成雜原子進入碳結構，形成具有異質摻雜雜原子的多孔碳結構，是硫正極理想的主格材料。因此，生物質碳材料是當前研究的熱點。

當前，制備生物質多孔碳材料的方法主要是模板法和活化碳化法，所應用的模板主要有SiO₂、FeCl₃、ZnCl₂等，或者其中的兩種或三種聯用，主要的活化物質為KOH等。以上應用到的模板或活化劑通常需要強酸(如HF)才能去除，且活化劑為強堿，在碳化過程中難免會對設備造成一定的損壞，且所用強酸會對環境造成一定的污染，制備過程復雜，難以實現產業化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于鋰硫電池的N/S共摻雜多孔碳的制備方法，制備得高比表面積、高石墨化度的N/S雜原子摻雜多孔碳材料，應用于鋰硫電池正極材料，展現了優異的比容量和循環穩定性以及倍率性能，能夠有效克服現有鋰硫電池硫正極導電性差、充放電過程中活性物質的顯著體積膨脹、嚴重的穿梭效應和多硫化物的溶解等缺陷。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于鋰硫電池的N/S共摻雜多孔碳的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：將天然生物質材料干燥，并研磨成粉末備用；

步驟2：按照質量比(1～3):1分別稱取納米碳酸鈣與天然生物質材料粉末，混合后研磨均勻，得到混合物粉末；

步驟3：將混合物粉末置于管式爐中，在氬氣氣氛下進行碳化，碳化溫度為650-950℃、升溫速率為2-5℃/min，保溫時間為5-10h；降至室溫后取出，并再次研磨，得到碳化產物；