[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

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110202187.3
• 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(jì)）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

一種制備具有高比表面積、高孔體積的氮摻雜多維多級孔碳材料的方法，作為適配鋁硫電池的硫正極載體。本發(fā)明具體步驟依次為：一、通過胺醛縮聚反應(yīng)制備高含氮量的聚合物前驅(qū)體；二、通過鋅鹽高溫?fù)]發(fā)等作用碳化前驅(qū)體制備氮摻雜多維多級孔碳材料；三、通過氫氧化鉀刻蝕優(yōu)化氮摻雜三維多級孔碳材料的孔道結(jié)構(gòu)；四、通過升華法將單質(zhì)硫載入氮摻雜多維多級孔碳形成復(fù)合正極；五、鋁硫電池正極極片的制備；六、電池組裝與性能評價(jià)。以本發(fā)明的方法制備的鋁硫電池正極材料與乙酰胺/氯化鋁電解液組裝的電池在0.2A g^?1下經(jīng)過50次循環(huán)后，放電容量保持在1000mAh g^?1以上，在1A g^?1下循環(huán)700次后，放電容量保持在400mAh g^?1以上，庫倫效率保持在96％以上。本發(fā)明具有原料成本低廉、綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果佳、易于改性且組裝的鋁硫電池循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)用于鋁硫電池領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及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，具體為鋁硫電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，在電子產(chǎn)品、動力能源、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，二次電池市場仍然以鋰離子電池為主。但是資源稀缺、成本昂貴、安全隱患等因素限制了鋰離子電池未來的大規(guī)模應(yīng)用前景。

鋁離子電池具有價(jià)格低廉、高安全性和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，其中，鋁硫電池因其低廉的價(jià)格和超高的理論比容量引起了廣泛關(guān)注。然而，硫正極存在導(dǎo)電性差、充電過程中體積膨脹大、反應(yīng)動力學(xué)緩慢，以及可能存在的多硫化物溶解于電解液等問題。同時(shí)，由于鋁離子電池電解液離子電導(dǎo)率低以及黏度大等特點(diǎn)，使得電解液與正極浸潤不佳，且成本高昂。因此，多方面原因?qū)е铝艘褕?bào)道的鋁硫電池循環(huán)性能差、充放電極化大等亟待解決的問題。設(shè)計(jì)開發(fā)性能優(yōu)異的鋁硫電池復(fù)合硫正極載體材料是解決上述問題的關(guān)鍵。碳材料由于其輕質(zhì)、低成本、孔道結(jié)構(gòu)豐富等優(yōu)勢，是理想的硫正極硫載體材料。然而，由于鋁硫電池電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境與鋰硫電池完全不同，如離子液體電導(dǎo)率低以及黏度大等使電解液與正極浸潤不佳，這對碳載體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了不同于鋰硫電池的要求。

針對鋁硫電池存在的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)并制備具有高比表面積、高孔體積的氮摻雜多維多級孔碳材料，作為適配鋁硫電池的硫正極載體。其中大孔起到浸潤電解液、加速電解液傳導(dǎo)的作用，介孔可以提高正極硫載量、提供離子傳輸通道、加速離子傳輸，微孔為反應(yīng)提供場所、固定硫元素。氮元素?fù)诫s可以鉚釘反應(yīng)產(chǎn)物、優(yōu)化復(fù)合材料態(tài)密度、加速電荷傳輸、提高正極導(dǎo)電性。同時(shí)，零維、一維、二維碳材料的復(fù)合可以有效構(gòu)建多維結(jié)構(gòu)碳材料，提升正極導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，引入適量過渡金屬可以降低反應(yīng)勢壘、催化電化學(xué)反應(yīng)，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性并減小電池極化，提高鋁硫電池的電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本文為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，以雙胺基化合物和聚甲醛通過縮聚反應(yīng)制備高含氮量的聚合物前驅(qū)體，鋅鹽作為模板劑通過高溫碳化得到氮摻雜三維多級孔碳材料，并利用刻蝕、復(fù)合及元素?fù)诫s等方法做進(jìn)一步改性。以該系列材料作為硫正極載體的鋁硫電池具有良好的綜合電化學(xué)性能。

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

按一定比例將雙胺基化合物、多聚甲醛、鋅鹽、過渡金屬鹽加入反應(yīng)瓶中，并按需加入零維、一維、或二維碳材料和高沸點(diǎn)溶劑，在氬氣保護(hù)下加熱至100℃并持續(xù)攪拌0.25-3h，降溫靜置得到生成高氮含量聚合物前驅(qū)體與金屬鹽、多維碳材料混合均勻的溶液。所述的雙胺基化合物、多聚甲醛、鋅鹽、過渡金屬鹽、零到二維碳材料的摩爾比為1：1：1：0：0～1：5：6：6：1，過渡金屬鹽和零到二維碳材料比例為0時(shí)為不加入。

(2)氮摻雜多維多級孔碳材料制備