[發(fā)明專利]一種氮和/或硫修飾三維多孔碳材料的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210349969.4
• 申請日: 2022-04-02
• 公開（公告）號: CN114804096A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陶石;孫陳誠;錢斌;尚隨軍;毛煥宇
• 申請（專利權(quán)）人: 常熟理工學(xué)院;蘇州宇量電池有限公司
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 常州佰業(yè)騰飛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32231
• 代理人: 李嘉寧

本發(fā)明屬于鋰離子電池領(lǐng)域，具體涉及了一種氮和/或硫修飾三維多孔碳材料的制備方法。本發(fā)明的氮/硫修飾三維多孔碳的制備方法包括如下步驟：1)將碳源、硫源/氮源、氯化鋰和氯化鉀混合；2)后經(jīng)過熱解煅燒(溫度為600、700和800℃)得到目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明方法所制得的材料具有高的比表面積和豐富的三維聯(lián)通多孔結(jié)構(gòu)以及均勻的異質(zhì)元素?fù)诫s，其步驟簡單，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極，倍率性能及循環(huán)性能優(yōu)異。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池材料領(lǐng)域的三維多孔碳的制備方法，特別是涉及一種氮或硫或氮和硫共修飾的碳材料的制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池由于能量密度高、循環(huán)壽命長、安全性高、無污染和高功率等特點在當(dāng)今世界受到了越來越多的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于混合動力汽車以及便攜式電子設(shè)備。負(fù)極材料是鋰離子電池的重要的組成部分之一，影響其主要性能表現(xiàn)。然而，目前商品化的的負(fù)極材料為石墨類材料，理論容量僅為372mAh g^-1，且在大倍率充放電過程中存在嚴(yán)重的安全問題，已無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，特別是在動力電池領(lǐng)域。因此研究和開發(fā)高容量和快充負(fù)極材料至關(guān)重要。

三維多孔碳具有良好的電化學(xué)特性，其比表面積高、空隙結(jié)構(gòu)豐富，并且活性位點多，有利于離子的傳輸，吸引眾多研究者的關(guān)注。然而，為了進(jìn)一步提高碳材料的導(dǎo)電性和活性位點，異質(zhì)原子摻雜(如N，S，P和B等)是一種有效的改性策略。公開號為CN112614998B的中國專利公開了一N,S原位摻雜多孔碳的鋰離子電池負(fù)極材料制備方法，采用乳化劑十二烷基苯磺酸鈉、丙烯腈、聚苯乙烯和氯甲基聚苯乙烯,超聲分散，后加入偶氮二異丁腈,反應(yīng)2-5小時，獲得聚丙烯腈-聚苯乙烯嵌段共聚物，之后與硫脲放入乙醇溶液中超聲分散均勻后，加熱至50-60℃，反應(yīng)5-10小時,制備得到硫脲接枝聚丙烯腈-聚苯乙烯嵌段共聚物，后將硫脲接枝聚丙烯腈-聚苯乙烯嵌段共聚物和氫氧化鉀混合均勻，置于氣氛爐中高溫碳化，制備得到N,S原位摻雜多孔碳。這種N,S原位摻雜多孔碳可以提高多孔碳負(fù)極的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和儲鋰容量。公開號為CN110299537A的中國專利公開了長循環(huán)鋰離子電池用硫摻雜生物質(zhì)多孔碳納米電極材料的制備工藝，以茶葉渣、咖啡渣、甘蔗渣或果渣為原材料，利用硫酸溶液溶解超聲分散加攪拌獲得溶液，后轉(zhuǎn)移至水熱感應(yīng)釜中，放入銅箔作為感應(yīng)源，以200～500KHz的感應(yīng)頻率由室溫升溫到120～150℃，并保溫20～50分鐘，然后冷卻到室溫，取出銅箔,將所得產(chǎn)物刮下經(jīng)去離子水和乙醇清洗抽濾后，烘干獲得粉末，后與活化劑如硫酸鋅、硫酸鐵、硫酸鎂或硫酸鎳；硫源為硫粉、硫代乙酰胺、十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基硫酸鈉混合煅燒，得到硫摻雜生物質(zhì)多孔碳納米材料。雖然上述技術(shù)中獲得了異質(zhì)原子摻雜的多孔碳材料，缺點是工藝繁瑣復(fù)雜，其改性難度大，有些工藝使用高分子和金屬物質(zhì)，不利于綠色環(huán)保。所以此材料作為鋰離子電池負(fù)極材料不具有優(yōu)勢，故開發(fā)一種原材料來源豐富，成本低廉，性能優(yōu)異且簡單可控和重復(fù)性好的工藝來制備異質(zhì)原子摻雜三維多孔碳負(fù)極材料具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了氮和/或硫修飾三維多孔碳材料的制備方法，制備出材料具有較大的比表面積和三維聯(lián)通多孔結(jié)構(gòu)，選擇合適的氮源或硫源可以實現(xiàn)異質(zhì)原子的摻雜。作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的的，一種氮/硫修飾三維多孔碳材料的制備方法包括：

步驟1、將碳源、硫源和/或氮源、氯化鋰和氯化鉀球磨混合后，獲得白色粉末；

步驟2、將上述白色粉末放置在管式爐中，在氮氣氣氛下以2～5℃/min速度升溫到600～800℃保溫3-6小時；

步驟3、將煅燒后的黑色粉末用稀鹽酸水溶液超聲處理，利用真空抽濾洗樣后真空干燥得到3D多孔碳材料。

優(yōu)選地，所述步驟1中將碳源、硫源和氮源、氯化鋰和氯化鉀球磨混合后，獲得白色粉末。