[发明专利]一种用于锂硫电池的N/S共掺杂多孔碳的制备方法

说明书

本发明属于无机非金属功能材料技术领域，具体提供一种用于锂硫电池的N/S共掺杂多孔碳的制备方法，采用天然生物质材料(尤其银杏果果肉)作为碳前驱体，来源广泛、成本低廉；采用温和的纳米碳酸钙作为碳化模板，在较低浓度的酸性溶液中即可去除，对环境影响较小；并且，整个制备工艺简单易行，有利于工业化生产。本发明合成得到的杂原子掺杂多孔碳具有较高的石墨化度，均一的孔径分布，较高的比表面积；应用于锂硫电池正极材料，展现了优异的比容量和循环稳定性以及倍率性能，能够有效克服现有锂硫电池硫正极导电性差、充放电过程中活性物质的显著体积膨胀、严重的穿梭效应和多硫化物的溶解等缺陷。

技术领域

本发明属于无机非金属功能材料技术领域，涉及多孔碳锂硫电池正极材料的制备方法，具体是一种用于高性能锂硫电池正极材料的天然生物质衍生的N/S共掺杂多孔碳及其制备方法。

背景技术

锂硫电池拥有较高的理论比容量(1675mAh g^-1)和理论能量密度(2600Wh kg^-1)，其比容量和能量密度是当前锂离子电池的三至四倍左右，能满足人类对日益增长的高能量密度储能设备的需求；此外，硫正极具有资源丰富、低消耗、环境友好等优点。因此，锂硫电池被视为是最具应用前景的储能设备的备选之一。然而，硫正极的绝缘性、充放电过程中多硫化物中间体的穿梭效应、多硫化物在电解液中的溶解以及硫的体积膨胀导致硫正极的活性物质利用率降低，最终导致电池的循环性能变差，从而制约了锂硫电池的进一步商业化。

为了解决以上技术瓶颈，使具有高能量密度的锂硫电池早日商业化，许多研究者进行了诸多的硫正极结构的优化和设计，其中最为有效的方法是设计具有较高比表面积的多孔碳主格结构来负载更多活性硫，提高硫正极的导电性和活性物质的利用率，物理吸附多硫化物，抑制充放电过程中硫的体积膨胀。然而，多硫化物是化学极性的物质，而多孔碳是非化学极性的物质，两者的吸附能很低，致使多硫化物的穿梭效应改善不是很明显，最终导致电池循环性能没能得到大幅度提高。因此，设计先进的具有化学亲和性的多孔碳主格结构是提高锂硫电池电性能的关键。异质掺杂杂原子(如O、N、B、S、P等)进入多孔碳结构不仅能创造更多缺陷来提高多孔碳的导电性，而且能创造更多极性活性位点来化学吸附多硫化物，从而更有效的抑制多硫化物的穿梭效应。生物质材料是一种理想的多孔碳前驱体，其来源广泛、资源丰富，且生物质材料中富含诸多官能团，在碳化过程中官能团能裂解形成杂原子进入碳结构，形成具有异质掺杂杂原子的多孔碳结构，是硫正极理想的主格材料。因此，生物质碳材料是当前研究的热点。

当前，制备生物质多孔碳材料的方法主要是模板法和活化碳化法，所应用的模板主要有SiO₂、FeCl₃、ZnCl₂等，或者其中的两种或三种联用，主要的活化物质为KOH等。以上应用到的模板或活化剂通常需要强酸(如HF)才能去除，且活化剂为强碱，在碳化过程中难免会对设备造成一定的损坏，且所用强酸会对环境造成一定的污染，制备过程复杂，难以实现产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂硫电池的N/S共掺杂多孔碳的制备方法，制备得高比表面积、高石墨化度的N/S杂原子掺杂多孔碳材料，应用于锂硫电池正极材料，展现了优异的比容量和循环稳定性以及倍率性能，能够有效克服现有锂硫电池硫正极导电性差、充放电过程中活性物质的显著体积膨胀、严重的穿梭效应和多硫化物的溶解等缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于锂硫电池的N/S共掺杂多孔碳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将天然生物质材料干燥，并研磨成粉末备用；

步骤2：按照质量比(1～3):1分别称取纳米碳酸钙与天然生物质材料粉末，混合后研磨均匀，得到混合物粉末；

步骤3：将混合物粉末置于管式炉中，在氩气气氛下进行碳化，碳化温度为650-950℃、升温速率为2-5℃/min，保温时间为5-10h；降至室温后取出，并再次研磨，得到碳化产物；