一种富N,S双孔径介孔结构碳载体、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种富N,S双孔径介孔结构碳载体、其制备方法及应用，属于储能电池正极材料技术领域。所述富N,S双孔径介孔结构碳载体具有分级介孔结构，所述介孔孔径为30～60nm，微孔孔径为1.5～3nm。所述富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料，由上述的富N,S双孔径介孔结构碳载体与硫融硫扩散制备而成。本申请提供的碳载体，具有较高的孔体积和比表面积，可以包覆高质量分数的活性物质，且活性物质不在碳表面堆叠团聚，大的孔体积更有利于应用过程中电解液的浸润；微孔介孔交联的双孔径结构，具有更好的分散和吸附作用，提供快速的离子和电子传递通道，更利于实现高电化学反应动力学。

A rich N, S dual pore mesoporous structure carbon carrier, its preparation method and Application

The invention provides a carbon carrier rich in N and S double-pore mesoporous structure, a preparation method and an application thereof, belonging to the technical field of cathode materials for energy storage batteries. The N-rich and S-rich mesoporous carbon carrier has a graded mesoporous structure. The mesoporous pore size is 30-60 nm and the micropore size is 1.5-3 nm. The rich N, S double aperture mesoporous carbon coated high load sulfur carbon composite was prepared from the above N, S double aperture mesoporous structure carbon carrier and sulfur thawing diffusion. The carbon carrier provided by this application has high pore volume and specific surface area, which can cover the active material with high mass fraction, and the active material is not stacked on the carbon surface. The large pore volume is more beneficial to the electrolyte infiltration in the application process, and the microporous mesoporous crosslinked double aperture structure has better dispersion and adsorption. By providing fast ion and electron transfer channels, it is more conducive to achieving high electrochemical reaction kinetics.

【技术实现步骤摘要】
一种富N,S双孔径介孔结构碳载体、其制备方法及应用
本专利技术涉及储能电池正极材料
，尤其涉及一种富N,S双孔径介孔结构碳载体、其制备方法及应用。
技术介绍
锂硫电池具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和理论比能量(2600Wh/kg)，其理论能量密度是目前已商业化锂离子电池的5倍多，被认为是最具发展潜力的储能体系之一。锂硫电池尽管在能量密度和成本上极具优势，但因其本身存在的一些问题，其商业化推广还受到很大的限制。近年来，许多碳材料被应用到锂硫电池中，以解决锂硫电池正极突出等问题。这些问题包括：硫单质及其放电终产物导电性差；充放电过程的中间产物聚硫锂极易溶解穿梭；硫单质转化成硫化锂形成的巨大体积效应等。人们针对这些问题做了大量的工作，使得锂硫电池的比容量得到很大提升，循环寿命也得到改善。但是，随着商业化要求的不断提高，除了高比容量和长寿命外，锂硫电池正极的载硫量也应纳入研究的范围。然而，现有技术中，随着正极载硫量的提高，正极材料的导电性会大大降低，反应动力学下降；而且穿梭效应更加明显，导致电池的比容量快速下降并且循环稳定性较差。到目前为止，锂硫电池的载硫基体还远不能承受较高载硫量条件下的循环和倍率过程，这严重阻碍了其产业化进程。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是现有的锂硫电池正极的载硫量不高，载硫基体不能承受较高载硫量条件下的循环和倍率过程。本专利技术的第一个目的在于提供一种富N,S双孔径介孔结构碳载体。所述富N,S双孔径介孔结构碳载体具有分级介孔结构，所述介孔孔径为30～60nm，微孔孔径为1.5～3nm。进一步地，所述富N,S双孔径介孔结构碳载体中，N元素的含量为1～3at％，S元素的含量为1～3at％。进一步地，所述富N,S双孔径介孔结构碳载体中，C和S的原子比为22～46:1。进一步地，所述富N,S双孔径介孔结构碳载体中，C和N的原子比为30～90:1。进一步地，所述富N,S双孔径介孔结构碳载体的孔体积为3～7cm3/g，比表面积为700～1800m2/g。本专利技术的第二个目的在于提供一种富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料。所述富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料，由上述的的富N,S双孔径介孔结构碳载体与硫融硫扩散制备而成；所述富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料中，硫单质占硫单质和碳载体总质量的50～90％。本专利技术的第三个目的在于提供一种电池正极材料。所述电池正极材料，包括上述的的富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料、导电剂和粘结剂；在所述电池正极材料中，硫的面积载量为1～10mg/cm2。本专利技术的第四个目的在于提供上述的富N,S双孔径介孔结构碳载体的制备方法。所述制备方法，包括如下步骤：以介孔碳为基础碳源，所述介孔碳包括单一孔径或者双孔径的无序或有序介孔碳；称取介孔碳分散在去离子水中，加入氯化锌和硫脲，混合均匀后于160～200℃下水热6～10h，得半成品；在保护性气体中将所述半成品在700～900℃下热处理2～6h，得到富N,S双孔径介孔结构碳载体；其中：氯化锌与介孔碳的质量比为0.7～1.5:1，碳的质量比为0.5～3:1。本专利技术的第五个目的在于提供一种上述的富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料的制备方法。所述制备方法，包括以下步骤：将富N,S双孔径介孔结构碳载体与硫混合，在保护性气氛中于150℃～300℃下进行融硫扩散，时间为12～24h；其中，硫与碳载体的质量比为2～4:1。本专利技术的第六个目的在于提供上述的的富N,S双孔径介孔结构碳载体在储能装置中的应用。本专利技术具有的优点和积极效果是：(1)本申请提供的富N,S双孔径介孔结构碳载体，使用介孔碳作为基础碳源；介孔碳具有高的比表面积，高孔隙率，孔径尺寸在一定范围内可调；介孔形状多样，孔壁组成、结构和性质可调；通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性；合成简单、易操作、无生理毒性；本申请提供的碳载体，具有较高的孔体积和比表面积，可以包覆高质量分数的活性物质，且活性物质不在碳表面堆叠团聚，大的孔体积更有利于应用过程中电解液的浸润；微孔介孔交联的双孔径结构，具有更好的分散和吸附作用，提供快速的离子和电子传递通道，更利于实现高电化学反应动力学；本申请提供的碳载体中还具有丰富的氮和硫元素掺杂量，对聚硫离子具有强的物理和化学吸附作用，能够大大提高正极材料应用过程中的界面稳定性；本申请提供的碳载体的制备方法，制备条件温和、能耗低、产率高、容易实现规模化生产。(2)将本申请提供的碳载体、硫碳复合材料、正极材料应用于储能装置，可以实现正极的高的面积载硫量，并且该正极可以获得高面容量、稳定的循环性能和倍率性能，储能装置(如电池)等整体性能得到优化提升。附图说明图1(a)是本申请中实施例1、2、3得到的富N,S双孔径介孔结构碳载体(分别为SNMPC1、SNMPC2、SNMPC3)的XRD图谱；(b)是本申请中实施例1、2、3得到的富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料(分别为SNMPC1-S、SNMPC2-S、SNMPC3-S)的XRD图谱；图2是本申请中实施例分别得到的SNMPC1、SNMPC2和SNMPC3的孔径分布图；图3(a)、(b)、(c)分别是本申请中实施例得到的SNMPC1、SNMPC2和SNMPC3的扫描电镜(SEM)图片；图4是本申请实施例2得到的SNMPC2的元素面分布图；图5是利用本申请中实施例1、2、3得到的SNMPC1-S、SNMPC2-S、SNMPC3-S制备出的电池正极材料(分别为SNMPC1@S、SNMPC2@S、SNMPC3@S)在中载量下的循环性能图；图6是本申请实施例中SNMPC1@S、SNMPC2@S、SNMPC3@S在中载量下的倍率性能图；图7(a)、(b)分别是本申请实施例中SNMPC2@S在高载量下的循环性能图和倍率性能图。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合具体实施例和附图对本专利技术进行进一步的描述。实施例1一种富N,S双孔径介孔结构碳载体，具有大的孔体积和分级介孔，介孔孔径为30～60nm，微孔孔径为1.5～3nm，孔体积为3.2cm3/g，比表面积为791m2/g，其中：N和S元素的含量均为4.18at％(原子数百分含量)，C和S的原子比为45.5:1，C和N的原子比为45:1。制备上述的富N,S双孔径介孔结构碳载体(SNMPC)，包括如下步骤：以介孔碳为基础碳源，包括单一孔径或者双孔径的无序或有序介孔碳；称取150mg介孔碳超声分散在去离子水中，加入200mg氯化锌和100mg硫脲，混合均匀后置于160℃烘箱或低温炉中水热7h，得半成品；将半成品在保护性气体保护中900℃下热处理1h，得到成品富N,S双孔径介孔结构碳载体。本实施例制备得到的富N,S双孔径介孔结构碳载体记作SNMPC1。富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料，由上述的的富N,S双孔径介孔结构碳载体与硫融硫扩散制备而成。具体方法为：将SNMPC1和商业硫按质量比30:70混合，氮气保护下155℃融硫扩散12h，得到富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料。本实施例制得富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料记作SNMPC1-S。实施例2一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：其具有分级介孔结构，所述介孔孔径为30～60nm，微孔孔径为1.5～3nm。

【技术特征摘要】
1.一种富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：其具有分级介孔结构，所述介孔孔径为30～60nm，微孔孔径为1.5～3nm。2.根据权利要求1所述的富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：N元素的含量为1～3at％，S元素的含量为1～3at％。3.根据权利要求2所述的富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：C和S的原子比为22～46:1。4.根据权利要求2所述的富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：C和N的原子比为30～90:1。5.根据权利要求1-4任一所述的富N,S双孔径介孔结构碳载体，其特征在于：孔体积为3～7cm3/g，比表面积为700～1800m2/g。6.一种富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料，其特征在于：由权利要求1-5所述的富N,S双孔径介孔结构碳载体与硫融硫扩散制备而成；所述富N,S双孔径介孔结构碳包覆大载量硫碳复合材料中，硫单质占硫单质和碳载体总质量的50～90％。7.一种电池正极材料，其特征在于：包括如权利要求6所述的富N,S双...

【专利技术属性】
技术研发人员：游才印，张静，徐红，李立晗，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61