[發(fā)明專利]一種制備適配鋁硫電池硫正極載體的氮摻雜多維多級孔碳材料的方法

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• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113013391A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尉海軍;張典;張旭;何世滿
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種制備適配鋁硫電池硫正極載體的氮摻雜多維多級孔碳材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)聚合物前驅(qū)體制備

將雙胺基化合物、多聚甲醛、鋅鹽加入反應(yīng)瓶中，并加入高沸點溶劑，在氬氣保護下在50-150℃加熱并持續(xù)攪拌0.25-6h，降溫靜置得到生成高含氮量聚合物前驅(qū)體與鋅鹽混合均勻的溶液。

(2)氮摻雜三維多級孔碳材料制備

取適量聚合物與鋅鹽的均勻溶液加入瓷舟，置于管式爐內(nèi)進行高溫碳化。調(diào)節(jié)管式爐內(nèi)氣壓低于大氣壓，適當(dāng)升溫以揮發(fā)N-甲基吡咯烷酮和水，升溫至400～700℃保溫1-2h，再升溫至700～1000℃保溫1-4h，得到包含大孔、介孔和微孔的氮摻雜三維多級孔碳材料。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種制備適配鋁硫電池硫正極載體的氮摻雜三維多級孔碳材料的方法，其特征在于，步驟(1)中，雙胺基化合物包括：二氨基二苯甲烷、對苯二胺、二氨基二苯醚、氨基二苯甲酮、對氨基二苯胺、二氨基二苯甲烷、苯二胺及其衍生物等分子中一種或多種；鋅鹽包括：六水合硝酸鋅、鹵化鋅、碳酸鋅、硫酸鋅、醋酸鋅等鋅鹽中的一種或多種。高沸點溶劑包括：N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一種。所述的雙胺基化合物、多聚甲醛、鋅鹽的摩爾比為1：1：1～1：5：6。管式爐內(nèi)低壓壓力范圍為0～0.9atm。

3.采用權(quán)利要求1-2所述的任一方法，進一步優(yōu)化孔道結(jié)構(gòu)得到孔道優(yōu)化氮摻雜三維多級孔碳材料，其特征在于，還包括以下步驟：

(3)將步驟(1-2)所制備得到的氮摻雜三維多級孔碳材料與氫氧化鉀在氬氣保護下混合均勻后，置于管式爐中，緩慢升溫至800℃，保溫2h后冷卻至室溫；用酸洗滌除去氫氧化鉀，并用去離子水洗滌至中性，在真空烘箱中干燥，得到孔道優(yōu)化氮摻雜三維多級孔碳材料。

4.按照權(quán)利要求3所述的一種孔道優(yōu)化氮摻雜三維多級孔碳材料，其特征在于，步驟(3)中，氮摻雜三維多級孔碳材料與氫氧化鉀的質(zhì)量比為1：2～1：4，稀酸濃度為1～15wt.％，所述酸選自鹽酸、硫酸、硝酸。

5.采用權(quán)利要求1-4任一項所述方法，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)得到氮摻雜多維多級孔復(fù)合碳材料，其特征在于，步驟(1)中還加入零維、一維、或二維等碳材料。

6.按照權(quán)利要求5所述的氮摻雜多維多級孔復(fù)合碳材料，其特征在于，所加入的碳材料包括：零維富勒烯、零維碳量子點、一維碳納米管、一維碳納米線、一維碳纖維、準(zhǔn)一維碳納米角、二維石墨烯、二維氧化石墨烯、二維氟化石墨烯、二維氫化石墨烯、二維石墨炔及其他零-二維碳材料中的一種或多種；所加碳材料質(zhì)量占最終氮摻雜多維多級孔復(fù)合碳材料總質(zhì)量的0％～40％，為0時相當(dāng)于不添加。

7.采用權(quán)利要求1-6任一項所述方法，進一步加入金屬功能基團制備得到的金屬復(fù)合氮摻雜多維多級孔碳材料，其特征在于，步驟(1)中還加入金屬化合物。

8.按照權(quán)利要求7所述的金屬復(fù)合氮摻雜多維多級孔碳材料，其特征在于，金屬化合物中金屬陽離子選自錳、鎂、鐵、鈷、鎳、銅金屬陽離子；加入金屬化合物中金屬陽離子與無機鋅鹽中鋅離子的摩爾比為0：1～3：1，為0：1時相當(dāng)于不添加。

9.采用權(quán)利要求1-8任一項所述方法制備得到的氮摻雜多維多級孔碳材料制備鋁硫電池的方法，其特征在于，還包括以下步驟：

(4)氮摻雜多維多級孔碳-硫復(fù)合材料的制備

將氮摻雜多維多級孔碳與升華硫單質(zhì)研磨均勻，升華硫單質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30-90wt.％，在氬氣保護下155℃保溫12h，得到氮摻雜多維多級孔碳-硫復(fù)合材料。

(5)鋁硫電池正極極片的制備

將已制備好的氮摻雜多維多級孔碳-硫復(fù)合材料與導(dǎo)電劑研磨均勻后，加入粘結(jié)劑并混合均勻，在真空烘箱中烘干后，用沖頭制作極片，并將極片壓實在極流體上。

(6)電池組裝

將步驟(5)所得的氮摻雜多維多級孔碳-硫復(fù)合材料正極片、玻璃纖維隔膜、離子液體或類離子液體、鋁負(fù)極在手套箱中進行組裝、密封得到鋁硫電池。

10.采用權(quán)利要求9所述方法制備氮摻雜多維多級孔碳材料基鋁硫電池的方法，其特征在于，所述鋁負(fù)極包括但不限于：金屬鋁、鋁合金、泡沫鋁、多孔鋁、電鍍鋁箔以及表面具有各類涂層修飾的鋁負(fù)極；所述電解液包括但不限于：1-乙基-3-甲基鹵化咪唑鎓/鋁鹽、1-乙基-2，3，5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺/鋁鹽等離子液體，乙酰胺/鹵化鋁、丙酰胺/鹵化鋁、丁酰胺/鹵化鋁、尿素/鹵化鋁等類離子液體。