[發明專利]氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910948006.4
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110797522B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 陳錫安;余志升;柳孟蘭
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M4/139;H01M10/052;H01M10/058;C01B32/05;C01B17/00;B82Y30/00
• 代理公司: 溫州名創知識產權代理有限公司 33258
• 代理人: 陳加利

1.一種氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料，其特征在于包括有硫以及作為硫宿主材料碳納米球，其特征在于：所述的碳納米球由多根氮摻雜的類針刺狀碳纖維按照球形形狀組合而成，碳纖維是長短不一，所有的碳纖維從球形邊緣射向球心形成倒刺狀分布，碳纖維之間存在間隙，碳纖維匯聚到中心形成一個空腔，其中硫占復合材料的60-75wt%。

2.根據權利要求1所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料，其特征在于：所述硫通過與氮摻雜倒刺狀碳納米球混合通過真空封管165℃熔融12h后形成碳納米球/硫復合材料。

3.根據權利要求1所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料，其特征在于：所述氮摻雜倒刺狀碳納米球的尺寸為300-700 nm，針刺狀的碳纖維的長度為80-120nm，所述碳纖維之間存在孔隙其孔徑為3.6-5.7 nm，且氮摻雜倒刺狀碳納米球的比表面積為400-700 m² g^-1，孔容為0.4-0.7 cm³ g^-1。

4.根據權利要求1所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料，其特征在于：所述氮摻雜主要通過NH₃引入氮元素，氮摻雜倒刺狀碳納米球中的氮元素的摻雜量為3-10wt%。

5.一種制備如權利要求1所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料的方法，其特征在于具體步驟包括：

（1）二氧化硅納米球的合成

取十六烷基溴代吡啶2g和尿素1.2g混合攪拌溶解在60ml去離子水中形成十六烷基溴代吡啶和尿素的混合液，環己烷和正戊醇按20:1的體積比混合形成環己烷和正戊醇的混合液，取原硅酸四乙酯5g溶解在環己烷和正戊醇的混合液中，再將十六烷基溴代吡啶和尿素的混合液與環己烷和正戊醇的混合液混合，室溫下攪拌均勻，其攪拌速度在500-2500rmp之間，然后轉移至反應釜中，在120℃下反應6h，完成以后依次經過冷卻、過濾、洗滌獲得淺黃色或白色固體，烘干之后，轉移至馬弗爐中焙燒，獲得白色二氧化硅納米球，二氧化硅納米球的直徑通過調節攪拌速度進行調整，攪拌速度越小，其尺寸越大；

（2）以二氧化硅納米球為模板制備氮摻雜倒刺狀碳納米球

取葡萄糖和上述步驟（1）所制備的二氧化硅納米球粉末按7:1-9:1的質量比混合，攪拌溶于75ml去離子水，轉移至聚四氟乙烯的水熱反應釜中，加熱至180℃并保持12h，完成后經過冷卻、過濾，然后再用水和乙醇分別進行洗滌，接著干燥，干燥后的產物在體積比為9:1Ar和NH₃混合氣中800℃焙燒2h獲得黑色粉末，將獲得的黑色粉末加入到20%的氫氟酸溶液中除去二氧化硅模板，經攪拌后過濾、烘干得到氮摻雜倒刺狀碳納米球；

（3）氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料的制備

將步驟(2)所制備的氮摻雜倒刺狀碳納米球和單質硫按質量比1:3-2:3進行混合，裝入石英管中，通過真空封管機一邊抽掉石英管中的空氣一邊對石英管管口進行燒結密封，將封管后的混合物放置到反應烘箱中，加熱至165℃，反應時間為12h，反應完成后冷卻至室溫，將石英管利用金剛石開管器開管獲得氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料。

6.一種如權利要求1所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料在應用于鋰硫電池的正極的方法，其特征在于：將所述的氮摻雜倒刺狀碳納米球/硫復合材料、導電炭和聚偏氟乙烯按照8:1:1的質量比混合均勻，涂覆在鋁箔集流體上，在60℃下真空干燥，然后軋壓、切片得到鋰硫電池正極。

7.一種鋰硫電池，包括負極、電解液、隔膜及外殼，其特征在于：還包括如權利要求6所述的方法制備的正極，所述的負極為鋰片，電解液為雙三氟甲基磺酸酰亞胺鋰、硝酸鋰、乙二醇二甲醚和1, 3-二氧六環混合的溶液，其中雙三氟甲基磺酸酰亞胺鋰的摩爾濃度為1mol L^-1，硝酸鋰的質量分數為1%，乙二醇二甲醚和1, 3-二氧六環體積比為1:1。