[發明專利]納米復合碳球的制備方法與應用

在審

• 申請號: 202010778529.1
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN114057178A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 張靈志;路繼群;陳清清
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/15;H01M4/587;H01M4/66;H01M10/052;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C02F1/28
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 蔣歡妹;莫瑤江

本發明公開了一種納米復合碳球的制備方法與應用，包括醛胺縮合、高溫煅燒以及刻蝕后處理步驟，制備工藝簡單，得到的納米復合碳球的元素組成、比表面積、孔徑結構、孔徑分布具有可調控性，可以通過改變原料比例、添加非氨基有機硅氧烷和\或非有機硅類水溶性胺類物質、改變煅燒溫度、刻蝕條件等進行調控，且得到納米復合碳球粒徑為50～200nm，碳元素含量為50～99wt％，復合了大量由Si、O、N等元素形成的基團，具有多孔結構，具有較大的比表面與孔體積，吸附能力強，可廣泛用作鋰離子電池負極材料、鋰硫電池正極載體、儲能與催化劑載體、污水處理吸附劑。

技術領域：

本發明涉及納米儲能材料與器件技術領域，具體涉及納米復合碳球的制備方法與應用。

背景技術：

目前在新能源領域中，鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、循環壽命長、自放電小、無記憶效應等優點，已廣泛應用到多個工作領域，例如智能移動設備、電動交通工具、電能存儲等領域都采用它作為動力能源。從20世紀90年代開始，人們對其進行了大量的研究和發展，鋰離子電池已逐漸取代了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池。但是，鋰離子電池相關技術也存在許多不足，例如電池的能量密度、功率密度、熱穩定性、充電效率等有待繼續改良。鋰離子電池的性能主要取決于正負極材料，而發展更高能量密度的負極材料是當前的研究重點之一。現有石墨基碳負極的理論嵌鋰容量僅為372mAh/g，這嚴重限制了鋰離子電池能量密度的進一步提升。為了提高石墨負極的容量，人們常將其與Si、SiOC、氧化物、硫化物等高比量材料進行復合，用于提高石墨碳負極的放電比容量。現有專利主要是通過制備硅材料后再與碳材料復合，在專利CN 107863512中先制備得到SiO，進一步在SiO表面包覆碳制備得硅碳復合負極材料，而這種方法制備得到得材料組成與結構可控性較低，復合效果并不十分理想。

與此同時，在傳統的鋰離子電池之外，人們也研發了其它的電池體系。其中以鋰硫電池為典型代表，鋰硫電池被認為是最有產業化前景的下一代電池體系。不過，鋰硫電池的產業化被一些嚴重的技術問題所阻礙，包括：(1)單質硫及其放電產物Li₂S的絕緣特性導致硫的利用率低，(2)充放電中間產物多硫化鋰存在嚴重的“穿梭效應”，導致電池容量迅速衰減，(3)鋰負極存在嚴重的枝晶現象，易于產生各種安全隱患。為了解決鋰硫電池的上述問題，通常采用多孔或空心碳作為載體負載硫。由于碳材料具有高電導率，將其與硫復合制備復合正極，可以提高硫正極的電導率、硫的利用率以及放電比容量。不過，由于碳與多硫化物之間發生的是物理吸附，作用強度低，無法徹底抑制“穿梭效應”。為了進一步抑制“穿梭效應”，人們通常使用使用其他元素摻雜碳材料，或者將碳與極性材料復合。其他元素或極性材料與多硫化物之間發生可以化學吸附，吸附強度比物理吸附高，將其他元素或極性材料組合在一起可以有效抑制穿梭效應，大范圍提升鋰硫電池的循環穩定性與電化學可逆性。

多孔或空心結構的摻雜型碳材料是理想的載體，但在目前的制備方法中，多采用以SiO₂為模板包覆有機聚合物材料再經熱處理、刻蝕制備得到。專利CN 109626355 A中提出了一種利用甲醛為碳源、含氨基酚類化合物為氮源通過酚醛縮合反應在二氧化硅硬模板進行表面包覆后，再經熱處理、刻蝕制備得到空心氮摻雜碳球，由于二氧化硅模板本身是分散的，很難制備得到多孔碳球。此外，專利CN 107039191 B中雖然將酚醛樹脂的縮聚和正硅酸四乙酯的水解過程同時進行反應得到復合納米球，熱處理刻蝕后得到氮功能化中空介孔碳球，但本質上仍是二氧化硅模板法，且由于反應過程中生成的二氧化硅模板較大形成了空心結構，很難形成微孔結構。

發明內容：