[发明专利]一种负载有硫的多孔碳材料的制备方法

说明书

本发明通过使用F127作为介孔模板剂，使用酚醛树脂为碳源，并且辅助以二维片状氧化石墨烯，三者首先混合均匀，之后在碳化过程中，脱除模板剂，得到具有均匀孔道分布的多孔碳材料，且在碳化的过程中，使用氨气作为氮源对多孔碳材料进行掺杂，极大的提升了碳材料的综合性能；对于沉积有单质硫的多孔碳材料，对其进行性能测试时，表现出了较好的初始比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备领域，具体涉及电极材料制备领域，尤其涉及一种负载有硫的多孔碳材料的制备方法。

背景技术

随着二次电池在移动电子设备、电动汽车、柔性可穿戴器件等领域的广泛应用，传统的锂离子电池由于其较低的比容量难以满足一些大型储能设备或高能量密度的电动汽车的要求，这使得人们迫切需要一种新型的电池系统来满足需要。

锂硫电池是目前研究较多的一个领域，这是因为假设锂和硫能够完全反应生成Li₂S，依据电极材料理论容量计算公式C=nF/3.6M（其中n为参与反应的电子数，M为摩尔质量，F为法拉第常数，F=96485 C·mol⁻¹）可知，其理论容量高达1675mAh/g，理论比容量高达2600W*h/Kg，而且硫在地壳中具有含量丰富、廉价易得和无毒无污染的优点。但是目前还面临着几个严峻挑战，这制约着锂硫电池的广泛应用，第一，单质硫和反应生成的硫化锂的导电性较差；第二，离子在正负极之间循环的过程中，会产生较多的多硫化锂中间体，这些物质会溶解在电解质溶液中，从而增大电解质溶液的粘度，不利于离子的导电性，此外，多硫化锂还会扩散到负极，这不但会造成活性物质的损失，还会破坏SEI膜；第三，离子在循环过程中，会有很明显的体积效应，一般而言，在充放电过程中会有80%的体积膨胀或收缩，这对于电池的安全性造成了巨大的影响；第四，锂硫电池的体积能力密度偏低，难以满足商业化需求。

为了解决上述的问题，锂硫电池正极材料一般都是以硫基复合材料的形式出现，与导电

性能良好的材料复合或在制备过程中加入导电剂，如添加碳材料，其可以提高整个电池的综合性能。目前使用的碳材料有碳纳米管、石墨烯、多孔碳和金属有机化合物等等。如LI 等人在题为“Sulfur vapor-infiltrated 3D carbon nanotube foam for binder-free high areal capacity lithium-sulfur battery composite cathodes”的文章中，先合成超轻的三维碳纳米管泡沫，之后将硫以蒸气形式借助毛细吸附力渗入 CNTs 泡沫内，压缩后直接用作电极，作为一种硫正极材料。测试表明硫的面积载量高达19.1 mg·cm⁻²时面积容量仍保持在19.3 mAh g⁻¹；Wu等人在题为“Three-dimensional graphene hollowspheres with high sulfur loading for high-performance lithium-sulfurbatteries”的文章中，先采用自组装法将氧化石墨包覆在SiO₂球表面，经碳化后用HF刻蚀去掉 SiO₂得到一种三维结构的石墨烯中空球，将硫灌入中空石墨烯球内，最终合成 HGs/S复合材料，其中硫含量高达 90 wt%。测试结果中复合材料表现出优异的电化学性能，在0.5 C下循环200圈后容量依旧保持在 810 mAh g⁻¹，且在 1 C下进行充放电600圈后平均每圈容量衰减率仅低于0.083%；WEI等人在题为“Sulphur-TiO₂