[發明專利]一種三維石墨化多孔碳材料及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 202010196685.7
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111285347B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 褚衛國;趙庭喬
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/205;C01B32/336;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明涉及一種三維石墨化多孔碳材料及其制備方法和用途，所述三維石墨化多孔碳材料由二維碳材料層層堆積形成，其具有比表面積高、孔隙率大、石墨化程度高、導電性好、結構穩定的特點，將其作為鋰硫電池正極材料的載體來儲存活性物質硫，能明顯緩解體積膨脹，并起到物理固硫的作用，所得鋰硫電池正極材料表現出高的能量密度、優良的電化學性能，所述三維石墨化多孔碳材料的制備方法包括將銦鹽、均苯三甲酸和N,N?二甲基甲酰胺混合，得到混合溶液，攪拌，固液分離，得到所述In?MOF材料；之后將得到的In?MOF材料進行碳化、酸洗、活化，得到所述三維石墨化多孔碳材料，其制備方法簡單易操作。

技術領域

本發明屬于儲能材料領域，涉及一種三維石墨化多孔碳材料及其制備方法和用途。

背景技術

鋰離子電池作為一種新型的清潔能源，與傳統的二次電池相比，其在電壓、能量密度、電池壽命和環境友好等方面均具有巨大優勢，在便攜電子設備、醫療器械、汽車工業、航空航天等各種需要使用的電源領域應用十分廣泛。與此同時，人們對高能量密度、高功率密度電池的需求越來越大，尤其是電動汽車領域。而當前主流鋰電池正極材料的容量相對較低，如LiFePO₄和LiCoO₂理論比容量分別僅為170mAh/g和275mAh/g，這極大限制了當前鋰離子電池的發展。其中理論比容量為1675mAh/g，理論能量密度高達2600Wh/kg的鋰硫電池由于其自然界儲量豐富，成本低廉，環境友好而越來越受到關注，是具有廣闊前景的下一代高比能二次電池。

然而，在實際應用中，鋰硫電池存在諸多問題亟待解決。第一，單質硫和其放電產物Li₂S導電性差，導致電池的化學反應動力學緩慢；其二，單質硫轉化為放電產物Li₂S時體積發生嚴重膨脹，而如此大的體積變化過程使得硫易從集流體表面脫落，導致大面積的結構坍塌，最終使得電池循環穩定性差、循環壽命短；其三，放電中間產物多硫化物易于溶解、遷移導致嚴重的穿梭效應，降低了活性物質的利用率以及對鋰負極的“腐蝕”。

為了克服這些問題，最普遍的策略是構筑硫-碳復合正極材料。但常見的粉體碳材料之間較低的界面連接性和導電性并不能保證電解液的有效浸潤以及電子和離子的快速傳輸，從而限制其容量的發揮。

目前，常采用模板法制備二維碳納米片，如CN110526228A中公開利用堿性鋅鹽和細粉狀二氧化硅在水熱條件下原位自組裝形成類花瓣狀納米片模板，碳前驅體在模板表面脫水、聚合、碳化，再用HF溶液脫除原位自組裝形成的模板，得到類花瓣狀碳納米片結構。此外，CN107161980A中公開采用氧化石墨烯作為模板，以葡萄糖等生物質材料為原料，通過水熱反應得到褶皺碳納米片，再與三價鐵鹽等石墨化催化劑共混，在氮氣中800～1200℃煅燒3～5h，再經稀酸和蒸餾水清洗，除去催化劑雜質，獲得的樣品與ZnCl₂或KOH活化劑共混，轉移至煅燒爐中600～900℃保溫2～5h，最后用稀酸和蒸餾水清洗，除去活化劑雜質，獲得多孔石墨化褶皺碳納米片。但上述現有技術中采用模板法制備碳納米片，其制備方法與工藝復雜，成本高，耗時長，不利于大規模生產。

因此，開發一種制備方法簡單易操作，且作為鋰硫電池正極材料的硫載體能明顯改善其性能的碳材料的制備方法仍具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三維石墨化多孔碳材料及其制備方法和用途，所述三維石墨化多孔碳材料由二維碳材料層層堆積形成，其具有比表面積高、孔隙率大、石墨化程度高、導電性好、結構穩定的特點，將其作為鋰硫電池正極材料的載體來儲存活性物質硫，能明顯緩解體積膨脹，并起到物理固硫的作用，所得鋰硫電池正極材料表現出高的能量密度、優良的電化學性能，所述三維石墨化多孔碳材料的制備方法包括將銦鹽、均苯三甲酸和N,N-二甲基甲酰胺混合，得到混合溶液，攪拌，固液分離，得到所述In-MOF材料；之后將得到的In-MOF材料進行碳化、酸洗、活化，得到所述三維石墨化多孔碳材料，其制備方法簡單易操作。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：