一种硫‑活性炭/石墨烯复合材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种硫‑活性炭/石墨烯复合材料及其应用，复合材料由硫负载在活性炭/石墨烯复合材料上或材料内组成；所述的硫‑活性炭/石墨烯复合材料的组成为：硫的质量百分含量为10 %~90 %，活性炭/石墨烯复合材料的质量百分含量为10 %~90%。将硫‑活性炭/石墨烯复合材料应用于锂硫电池中，一方面可大大减轻电池重量，减小电池内阻，提高电极材料的导电性能，提高电池比容量和综合性能；另一方面减小飞梭效应、一定程度上减轻硫的体积膨胀对电池性能造成的影响，提高活性物质的利用率。在相同的测试条件下，该复合材料作为正极材料组装的锂硫电池的综合性能明显优于同类正极材料作为正极材料组装的锂硫电池的综合性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硫-活性炭/石墨烯复合材料及其应用，属于电化学储能领域。
技术介绍
随着空间技术、移动通信、导弹、航空航天等领域的飞速发展以及现代人们对能源危机和环境保护问题的日益关注,高能量密度的锂二次电池的研究和开发引起了人们广泛的兴趣（Inorg.Chem.Front.,2015,2,1059）。锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一。单质硫与锂反应的理论比容量为1675mAhg-1,质量比能量达2600Whkg-1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料。同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点。虽然锂硫电池有着远大于商业化二次电池的能量密度,但是实际过程中锂硫二次电池存在着活性物质利用率低、倍率性能差、电池寿命短等多方面的问题,从而制约了其广泛推广与应用（Adv.Funct.Mater.2016,26,6351）。石墨烯是一种由具有sp2杂化轨道的碳原子构成的单层片状结构材料,是目前最薄却也是最坚硬的纳米材料,其特殊的物理性能,为碳材料改性锂硫电池提供了一个很好的途径。尽管石墨烯良好的导电性可有效提高单质硫的利用率，但其较大的比表面积导致硫与电解液的直接接触,造成活性物质的溶解。从而产生飞梭效应影响电池的循环寿命。活性炭材料提供了一种简单、有效的解决方法.其特殊的孔结构,不仅为单质硫提供负载场所,而且其较强的毛细吸附作用可有效抑制多硫化物的溶解（JournalofEnergyChemistry2013,22,214,CN201310659172.5,CN201410476466.9,CN201180036690.0）。在能源危机的大背景下，常规活性炭原料木材、煤炭等已逐渐退出历史舞台，取而代之的是具有价格低廉、资源丰富、安全可再生等特性的生物质材料。以生物质资源为原料来制备活性炭，一方面在很大程度上降低了活性炭的成本；另一方面也使农作物残体得到了资源化利用，同时避免了无组织焚烧带来的环境问题。因此，近年来生物质活性炭的制备和应用受到了广泛的关注（CN201410729808.3,CN201610373129.6）。活性炭的制备方法分为三种：物理活化法、化学活化法以及物理-化学联合活化法。物理活化法是先将材料炭化，然后向载有碳化产物的炉子中通入氧化性气体如二氧化碳、水蒸气、空气或其混合气体，再在较高温度下活化即得到活性炭产品。从实际投产角度考虑，化学活化法具有不可取代的地位，化学活化方法中炭化和活化是同时进行的，活化剂通常为KOH、NaOH、ZnCl2、K2CO3和H3PO4等。如果能以来源丰富，价格低廉，可再生的农林废弃物为原料制备活性炭/石墨烯复合材料，再与硫复合得到可以用于锂硫电池的硫-活性炭/石墨烯复合材料，便有可能实现含硫-活性炭/石墨烯复合材料大规模商业化生产及应用（CN201410729808.3）。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种硫-活性炭/石墨烯复合材料及其应用，将该复合材料用做锂硫电池正极材料时，其综合性能优于现有硫-活性炭/石墨烯正极材料。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种硫-活性炭/石墨烯复合材料。复合材料的组成为：由硫负载在活性炭/石墨烯复合材料上或材料内组成；硫含量10wt%到90wt%（10–90wt%），活性炭/石墨烯复合材料的含量10wt%到90wt%（10–90wt%）；硫以原子团簇的形态被吸附或者键合在石墨烯和/或活性碳上。上述硫-活性炭/石墨烯复合材料具有显著特征：所述的活性炭/石墨烯复合材料中活性炭的质量百分含量为1~99%，石墨烯的质量百分含量为1~99%。活性炭呈岛状或棉花状和0.5-300nm分级孔结构，并生长在石墨烯上；该材料具有石墨烯和活性炭的双重功能，具有sp2C-C碳键和sp3C-C碳键以及sp2碳与sp3碳的杂化键合。所述的石墨烯包含纯石墨烯、杂原子掺杂的石墨烯中的一种；石墨烯中杂原子的质量百分含量为0~40%。如上所述的杂原子掺杂石墨烯包含但不局限于氮掺杂石墨烯，磷掺杂石墨烯，硫掺杂石墨烯，硼掺杂石墨烯，氮磷共掺杂石墨烯，氮硫共掺杂石墨烯，氮硼共掺杂石墨烯，磷硫共掺杂石墨烯，磷硼共掺杂石墨烯，硫硼共掺杂石墨烯，氮磷硫共掺杂石墨烯，氮磷硼共掺杂石墨烯，氮硫硼共掺杂石墨烯，磷硫硼共掺杂石墨烯，氮磷硫硼共掺杂石墨烯中的一种。所述的活性炭来源于生物质原料，包含纯活性炭、杂原子掺杂的活性炭中的一种；活性炭中杂原子的百分含量为0~40%。如上所述的杂原子掺杂活性炭包含但不局限于氮掺杂活性炭，磷掺杂活性炭，硫掺杂活性炭，硼掺杂活性炭，氮磷共掺杂活性炭，氮硫共掺杂活性炭，氮硼共掺杂活性炭，磷硫共掺杂活性炭，磷硼共掺杂活性炭，硫硼共掺杂活性炭，氮磷硫共掺杂活性炭，氮磷硼共掺杂活性炭，氮硫硼共掺杂活性炭，磷硫硼共掺杂活性炭，氮磷硫硼共掺杂活性炭中的一种。硫-活性炭/石墨烯复合材料还具有显著特征：一种石墨烯原位生长岛状和棉花状的分级孔的碳材料，该材料具有石墨烯和活性炭的双重功能，具有sp2C-C碳键和sp3C-C碳键的杂化键合；活性炭/石墨烯复合材料能被被杂原子（如氮，磷）掺杂的石墨烯和活性炭纳米复合多级孔的碳材料；氮原子可以掺杂键合在石墨烯的缺陷上，也可以掺杂键合在活性炭和分级多孔碳上。所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，活性炭/石墨烯复合材料能被杂原子掺杂的石墨烯或活性炭复合形成纳米复合多级孔的碳材料；杂原子掺杂键合在石墨烯上，或掺杂键合在活性炭和分级多孔碳上；硫被吸附或键合在石墨烯上和/或多孔碳活性炭以及氮掺杂碳材料上，具有协同作用。本专利技术还提供了一种简单、易于操作和控制，成本低，效率高，质量好的硫-活性炭/石墨烯复合材料的制备方法；包括如下步骤：1、生物质原料预处理；2、预处理过的生物质原料与石墨烯和活化剂混合；3、固体混合物料的活化，洗涤，固液分离，干燥；4、复合材料与硫复合，得到硫-活性炭/石墨烯复合材料；一、步骤1具体工艺包括如下：如上所述步骤1中生物质原料的预处理包含但不限于预干燥、破碎、筛分、洗涤、固液分离、烘干等其中的一步或两步以上；如上所述步骤1中的生物质原料包含但不局限于农林业资源及废弃物、轻工业资源及废弃物中的一种或两种以上；所述农林业资源及废弃物包含但不局限于稻壳、柚子皮、榴莲皮、荷叶、小麦秸秆、玉米秸秆、玉米芯、黄麻秆、汉麻杆、莲花秆、柳絮、互花米草、草木灰、桔子皮、豆杆、瓜子皮，木锯屑、棉秆、香蒲绒、旱伞草、莲花茎秆、杨树木屑、谷壳、豆荚、稻草、杉木屑、油菜秸秆、竹粉、松木屑、红木屑、杜松屑、桦木屑、杉木屑、椰子树及其废弃物、木薯茎秆、小桉树废弃物、腰果壳、橄榄树废弃物、桑枝秆、竹材及其加工剩余物、柳枝稷、红麻秆芯、小麦稻秆、杨木及其废弃物、柳木及其废弃物、榆木及其废弃物、桃木及其废弃物、杏木及其废弃物、梨木及其废弃物、核桃木及其废弃物、合欢木及其废弃物、笋壳、棕榈木及其废弃物、枣木及其废弃物、葡萄藤、枸杞藤、高粱秆、柏树及其废弃物、黑麦草、紫罗兰、茄子、木瓜、芦苇、水草、高粱壳、高羊草、烟草杆、核桃壳、杏核、椰壳、开心果壳、棕榈壳、山楂核、橡子壳、花生壳、菱角皮、橄揽核、枣核、李子核水解后的混合南方硬木、栗子木、炭化杏核，榛子壳，板栗壳、麦壳、橡木锯屑、胡桃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫‑活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：由硫负载在活性炭/石墨烯复合材料上或材料内组成；所述的硫‑活性炭/石墨烯复合材料的组成为：硫的质量百分含量为10 %~90 %，活性炭/石墨烯复合材料的质量百分含量为10 %~90%；硫以原子团簇的形态被吸附或者键合在石墨烯和/或活性碳上。

【技术特征摘要】
1.一种硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：由硫负载在活性炭/石墨烯复合材料上或材料内组成；所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料的组成为：硫的质量百分含量为10%~90%，活性炭/石墨烯复合材料的质量百分含量为10%~90%；硫以原子团簇的形态被吸附或者键合在石墨烯和/或活性碳上。2.如权利要求1所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：活性炭/石墨烯复合材料能被杂原子掺杂的石墨烯或活性炭复合形成纳米复合多级孔的碳材料；杂原子掺杂键合在石墨烯上，或掺杂键合在活性炭和分级多孔碳上；硫被吸附或键合在石墨烯上和/或多孔碳活性炭以及氮掺杂碳材料上，具有协同作用。3.如权利要求1所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述的活性炭/石墨烯复合材料中活性炭的质量百分含量为1~99%，石墨烯的质量百分含量为1~99%；活性炭呈岛状或棉花状和0.5-300nm分级孔结构，并生长在石墨烯上；该材料具有石墨烯和活性炭的双重功能，具有sp2C-C碳键和sp3C-C碳键以及sp2碳与sp3碳的杂化键合。4.如权利要求1~3任一项所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述的石墨烯包含纯石墨烯、杂原子掺杂的石墨烯中的一种；石墨烯中杂原子的质量百分含量为0~40%。5.如权利要求4所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述的杂原子掺杂石墨烯包含氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯、氮磷共掺杂石墨烯、氮硫共掺杂石墨烯、氮硼共掺杂石墨烯、磷硫共掺杂石墨烯、磷硼共掺杂石墨烯、硫硼共掺杂石墨烯、氮磷硫共掺杂石墨烯、氮磷硼共掺杂石墨烯、氮硫硼共掺杂石墨烯、磷硫硼共掺杂石墨烯、氮磷硫硼共掺杂石墨烯中的一种。6.如权利要求1~3任一项所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述的活性炭来源于生物质原料，包含纯活性炭、杂原子掺杂的活性炭中的一种；活性炭中杂原子的百分含量为0~40%。7.如权利要求6所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述的杂原子掺杂活性炭包含氮掺杂活性炭、磷掺杂活性炭、硫掺杂活性炭、硼掺杂活性炭、氮磷共掺杂活性炭、氮硫共掺杂活性炭、氮硼共掺杂活性炭、磷硫共掺杂活性炭、磷硼共掺杂活性炭、硫硼共掺杂活性炭、氮磷硫共掺杂活性炭、氮磷硼共掺杂活性炭、氮硫硼共掺杂活性炭、磷硫硼共掺杂活性炭、氮磷硫硼共掺杂活性炭中的一种。8.如权利要求1所述的硫-活性炭/石墨烯复合材料，其特征在于：所述复合材料的制备方法为：包含以下步骤：（1）生物质原料预处理；生物质原料的预处理包含预干燥、破碎、筛分、洗涤、固液分离、烘干中的一步或两步以上；生物质原料包含农林业...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊中，刘勇志，张会念，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：山西;14