硼／氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料制造技术

本发明专利技术提供了一种硼/氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料。在该技术方案中，先以尿素、硼酸、聚乙二醇为原料，经高温碳化，制备硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，制备的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片表现出类石墨烯的二维薄片结构，具有较高的比表面积、丰富的微孔和介孔；在此基础上，以硼/氮双掺杂多孔碳纳米片为载体，通过熔融扩散法制备了不同硫含量的正极材料。本发明专利技术所述的锂硫电池正极材料中，硼/氮双掺杂多孔碳纳米片独特的二维结构利于促进电子快速转移，缓解硫电极体积膨胀，而且硼/氮掺杂原子对多硫化锂具有较强的路易斯酸碱作用，可有效抑制电极的穿梭效应，从而表现出较高的比容量和优异的循环性能。

Boron / nitrogen double doped porous carbon nano sheet and its cathode materials for lithium sulfur battery

【技术实现步骤摘要】
硼/氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料
本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种硼/氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料。
技术介绍
近年来，新能源汽车产业在我国不断发展，对动力电池能量密度提出了更高的要求。发展新型高能量密度二次电池体系成为关键。锂硫电池是以硫为正极、金属锂为负极构建的二次电池，其理论能量密度可达2600Wh/kg，远高于商品化锂离子电池的能量密度，被认为是下一代动力电池的备选之一。然而，受限于硫的绝缘性、反应过程中电极材料的体积膨胀以及多硫化锂的溶解及穿梭等问题，锂硫电池的实际容量偏低，循环性能和倍率性能较差。因此，提高硫正极的导电性和抑制体系穿梭效应，成为改善锂硫电池电化学性能的关键。将硫负载到碳材料中构建硫/碳复合材料是一种行之有效的改性手段。碳材料具有优良的导电性和丰富的孔结构，不仅利于硫活性物质的均匀分散，还可将硫活性物质限制在孔内，作为硫载体材料可显著提高硫电极的比容量。其中，二维碳材料(如石墨烯)受益于其二维结构的特性，能够加快电子转移，缓解体积膨胀，对锂硫电池性能改善意义重大。然而，碳材料本身对多硫化物的作用较弱，仅依靠其孔结构对可溶性多硫化锂的物理限制作用，仍难有效抑制穿梭效应。对碳材料表面进行杂原子掺杂改性，可增强其表面极性，进而加强对极性多硫化锂的限域作用。目前，研究较多的二维碳材料大多以石墨烯材料为主，并进一步采用B、N、O、S、P等杂原子掺杂，制备单掺杂或双掺杂石墨烯材料。考虑到石墨烯材料制备工艺复杂，成本较高，开发低成本碳纳米片材料十分必要。>
技术实现思路
本专利技术旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种硼/氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料，以解决锂硫电池中，硫正极的导电性有待提升，且电极材料存在体积膨胀现象的技术问题。本专利技术要解决的另一技术问题是，杂原子掺杂的石墨烯材料，其成本过于昂贵。本专利技术要解决的再一技术问题是，如何抑制锂硫电池中，多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭。为实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，是由以下方法制备的：将尿素、硼酸、聚乙二醇和去离子水混合，得到水凝胶；经蒸发干燥得到白色粉末；将所述白色粉末经高温碳化，得到所述硼/氮双掺杂多孔碳纳米片。作为优选，该硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，是由以下方法制备的：将尿素、硼酸和聚乙二醇-2000与50mL去离子水混合得到水凝胶，然后将水凝胶蒸发干燥得到白色粉末，再通过高温碳化制得硼/氮双掺杂多孔碳纳米片。作为优选，尿素、硼酸、聚乙二醇三者的摩尔比为64:(1～3):0.2。进一步优选的，尿素、硼酸、聚乙二醇-2000三者的添加比例为80mmol：2.5mmol：0.25mmol；经实验验证和分析，上述比例得到的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片在锂硫电池中表现出优异的电化学性能。作为优选，所述碳化的过程是在氩气气氛下进行的，碳化温度为700～1000℃(进一步优选为900℃)，升温速率为2～10℃/min(进一步优选为5℃/min)，碳化时间为2h。在以上技术方案的基础上，本专利技术进一步提供了锂硫电池正极材料，是由以下方法制备的：1)将尿素、硼酸、聚乙二醇和去离子水混合，得到水凝胶；经蒸发干燥得到白色粉末；将所述白色粉末经高温碳化，得到所述硼/氮双掺杂多孔碳纳米片；2)将步骤1)所得的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片与硫单质混合均匀，通过熔融扩散法制得锂硫电池正极材料。作为优选，该锂硫电池正极材料是由以下方法制备的：1)将尿素、硼酸和聚乙二醇-2000与50mL去离子水混合得到水凝胶，然后将水凝胶蒸发干燥得到白色粉末，再通过高温碳化制得硼/氮双掺杂多孔碳纳米片；2)将所述硼/氮双掺杂多孔碳纳米片与硫单质混合，通过熔融扩散法，制得硼/氮双掺杂多孔碳纳米片/硫复合物。作为优选，步骤1)中尿素、硼酸、聚乙二醇三者的摩尔比为64:(1～3):0.2。进一步优选的，尿素、硼酸、聚乙二醇-2000三者的添加比例为80mmol：2.5mmol：0.25mmol；经实验验证和分析，上述比例得到的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片在锂硫电池中表现出优异的电化学性能。作为优选，步骤1)中所述碳化的过程是在氩气气氛下进行的，碳化温度为700～1000℃(进一步优选为900℃)，升温速率为2～10℃/min(进一步优选为5℃/min)，碳化时间为2h。作为优选，步骤2)中所述熔融扩散法的温度为155℃，时间为12h。作为优选，步骤2)中硼/氮双掺杂多孔碳纳米片与硫单质的质量比为1:(1～4)。本专利技术所制备的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片为二维碳纳米片结构，且具有丰富的微孔和介孔，所述碳纳米片上均匀地分布着碳、硼和氮元素。本专利技术提供了一种硼/氮双掺杂多孔碳纳米片及其锂硫电池正极材料。在该技术方案中，先以尿素、硼酸、聚乙二醇为原料，经高温碳化，制备硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，制备的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片表现出类石墨烯的二维薄片结构，具有较高的比表面积、丰富的微孔和介孔；在此基础上，以硼/氮双掺杂多孔碳纳米片为载体，通过熔融扩散法制备了不同硫含量的正极材料。本专利技术所述的锂硫电池正极材料中，硼/氮双掺杂多孔碳纳米片独特的二维结构利于促进电子快速转移，缓解硫电极体积膨胀，而且硼/氮掺杂原子对多硫化锂具有较强的路易斯酸碱作用，可有效抑制电极的穿梭效应，从而表现出较高的比容量和优异的循环性能。本专利技术以硼/氮双掺杂多孔碳纳米片作为载体，将其与硫单质复合，制备成锂硫电池正极材料。本专利技术能够有效提高硫正极的导电性，缓解电极体积膨胀，并能有效抑制多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭，进而提升锂硫电池的电化学性能。本专利技术的技术效果集中体现在以下方面：本专利技术通过一步法自组装前驱体尿素、硼酸和聚乙二醇，经高温碳化制得硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，并用于锂硫电池正极材料。制备的B-N-CNSs-900具有类石墨烯的二维薄层多孔结构，利于电子的快速传输以及硫活性物质的均匀分散，并能缓解电极材料的体积膨胀；同时，B和N双掺杂原子与可溶性多硫化锂具有较强的路易斯酸碱相互作用，利于抑制穿梭效应。这种结构的特性使得制备的S/B-N-CNSs正极材料表现出优异的倍率性能和循环性能，对高比能锂硫电池关键材料的开发具有一定的启发作用。附图说明图1为实施例1所制备硼/氮双掺杂多孔碳纳米片的扫描电镜图和透射电镜图以及相对应的元素分布。图2为实施例1所制备硼/氮双掺杂多孔碳纳米片的N2等温吸-脱附图及孔径分布曲线。图3为实施例1所制备硼/氮双掺杂多孔碳纳米片(B-N-CNSs-900)及其中N1s、B1s的XPS能谱图。图4为实施例1～4所制备的锂硫电池正极材料S/B-N-CNSs在0.5C倍率下的首周充放电曲线。图5为实施例1～4所制备的锂硫电池正极材料在0.5C倍率下的循环性能曲线。具体实施方式以下将对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。为了避免本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，其特征在于是由以下方法制备的：将尿素、硼酸、聚乙二醇和去离子水混合，得到水凝胶；经蒸发干燥得到白色粉末；将所述白色粉末经高温碳化，得到所述硼/氮双掺杂多孔碳纳米片。/n

【技术特征摘要】
1.硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，其特征在于是由以下方法制备的：将尿素、硼酸、聚乙二醇和去离子水混合，得到水凝胶；经蒸发干燥得到白色粉末；将所述白色粉末经高温碳化，得到所述硼/氮双掺杂多孔碳纳米片。


2.根据权利要求1所述的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，其特征在于尿素、硼酸、聚乙二醇三者的摩尔比为64:1～3:0.2。


3.根据权利要求1所述的硼/氮双掺杂多孔碳纳米片，其特征在于所述碳化的过程是在氩气气氛下进行的，碳化温度为700～1000℃，升温速率为2～10℃/min，碳化时间为2h。


4.锂硫电池正极材料，其特征在于是由以下方法制备的：
1)将尿素、硼酸、聚乙二醇和去离子水混合，得到水凝胶；经蒸发干燥得到白色粉末；将所述白色粉末经高温碳化，得到所述硼/氮双掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽，熊冬根，杨震宇，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36