[發(fā)明專利]氮、硫共摻雜生物碳/SnO2

有效

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• 申請日: 2022-04-19
• 公開（公告）號: CN114725343B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設計）人: 王彩薇;張晶
• 申請（專利權）人: 西安航空學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/052
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 61237
• 代理人: 何秀娟

本發(fā)明公開了氮、硫共摻雜生物碳/SnOsubgt;2/subgt;/SnS/S復合材料、制備方法與應用，制備方法包括：管狀結構生物質(zhì)經(jīng)熱處理得到生物碳；以混合酸為溶劑，對生物碳進行溶劑熱反應；所得產(chǎn)物中添加酸液，經(jīng)溶劑熱反應，得到富含含氧官能團的生物碳；將其與硫脲混合，在NHsubgt;3/subgt;和Hsubgt;2/subgt;S的混合氣氛下，進行熱處理，得到氮、硫共摻雜生物碳；將其與無機錫源混合，經(jīng)水熱反應，得到氮、硫共摻雜生物碳/SnOsubgt;2/subgt;復合材料；將其與硫脲混合，經(jīng)熱處理得到最終產(chǎn)物。本發(fā)明實現(xiàn)了對聚硫化物的快速吸附和轉(zhuǎn)化能力，提升了鋰?硫電池的容量，同時保證了復合結構在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性，減少了因結構破壞造成的容量損失。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰-硫電池電極的技術領域，特別是涉及氮、硫共摻雜生物碳/SnO₂/SnS/S復合材料、制備方法與應用。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

鋰離子電池由于能量密度高、安全性能好且環(huán)境友好的特點，已經(jīng)廣泛應用到人們的生產(chǎn)生活中，成為未來最值得關注的電化學儲能器件之一。特別地，隨著近年來對電動汽車、可移動電子設備的市場需求量大幅增長，對鋰電池的快速和高容量存儲提出了更高的要求。而石墨作為鋰離子電池負極，其理論比容量僅為372mAh·g^-1，這嚴重限制了容量的進一步提升。硫的理論比容量是碳的4.4倍(1673mAh·g^-1)，并且硫在地殼中資源豐富、環(huán)境友好，因而鋰-硫電池的研發(fā)將有效解決傳統(tǒng)鋰電池容量低的問題，鋰-硫電池將成為新一代電化學儲能器件的佼佼者。

然而，在鋰-硫電池反應過程中會發(fā)生聚硫化物穿梭效應，造成容量的損失。此外，硫和反應產(chǎn)物Li₂S的電絕緣性對電化學反應的持續(xù)進行造成了阻礙。基于此，穩(wěn)定硫負載的復合結構設計將有效解決硫的電絕緣性和聚硫化物可溶性等問題，提升鋰-硫電池電化學穩(wěn)定性。其中，碳材料原料豐富、易于制備，被認為是良好的導電載體，可以提升復合材料的導電性；金屬硫化物SnS_x具有較高的離子電導率和低的鋰化電壓，有利于快速捕獲和轉(zhuǎn)化聚硫化物，抑制其在電解液中的溶解。

然而大量研究表明，為了實現(xiàn)鋰-硫電池快速和高容量存儲，SnS/碳復合結構中SnS與碳的結合能弱，以及因硫的體積變化導致復合結構不穩(wěn)定的兩大問題，仍然需要得到解決。一方面，極性強的SnS表面主要是Sn-S離子鍵，與碳材料表面的非極性鍵C-C/C＝C的結合能力弱，大大減少了SnS在碳表面的負載量，降低了兩者的結合強度，不利于強極性的聚硫化物在復合結構表面負載，增大了聚硫化物在電解液中的溶解幾率，限制了循環(huán)穩(wěn)定性的提升。另一方面，在反應過程中硫和硫化鋰的轉(zhuǎn)化會帶來巨大的體積變化，這使得硫負載的復合結構必須具有較強的結構穩(wěn)定性。而SnS與碳的結合不能緩解SnS鋰化和聚硫化物轉(zhuǎn)化過程中所帶來的體積膨脹，因而造成循環(huán)過程中復合結構的破壞和容量損失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供氮、硫共摻雜生物碳/SnO₂/SnS/S復合材料、制備方法與應用，以實現(xiàn)對聚硫化物的快速吸附和轉(zhuǎn)化能力，提升鋰-硫電池的容量，同時保證復合結構在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性，減少因結構破壞造成的容量損失，解決了現(xiàn)有技術中存在的問題。

本發(fā)明所采用的技術方案是，氮、硫共摻雜生物碳/SnO₂/SnS/S復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：N₂氣氛下，管狀結構生物質(zhì)在500℃～600℃進行熱處理5min～10min，得到生物碳；

S2：以混合酸為溶劑，生物碳在150℃～180℃進行溶劑熱反應8h～15h，所得混合溶液經(jīng)靜置后，保留下層沉淀；

S3：下層沉淀中添加檸檬酸或酒石酸，在140℃～160℃進行溶劑熱反應3h～5h，得到富含含氧官能團的生物碳；