一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用技术

本发明专利技术提供了一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用，与现有技术相比，本发明专利技术提供的碳硒复合材料制备方法中，二维碳材料不仅原料来源广泛简单易得，制备方法简单，实用化程度较高，且得到的碳硒复合材料表现出优异的电化学性能。本发明专利技术采用一步水热反应制备二维碳材料，所述二维碳材料含有丰富的微介孔结构，且其具有较高的石墨化程度，将此二维碳材料与硒进行低温复合和活化，得到碳硒复合材料，所述碳硒复合材料中单质硒均匀负载于二维碳材料表面的微介孔中，负载率高达80％；以此碳硒复合材料作为正极材料组装得到电化学稳定的锂硒电池。

【技术实现步骤摘要】
一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用
本专利技术属于电化学储能领域，具体涉及一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用。
技术介绍
随着新型可再生能源的持续开发，使得能源储存的需求日益增加，因此发展具有高能量密度，长寿命和安全性的电化学储能系统将是下一代高效储能装置发展的重要方向之一。锂硒电池因其高的积能量密度(3254Wh·L-1)而备受关注。但对于追求快速充放电的电化学储能器件而言，提高锂硒电池正极材料的导电能力至关重要。目前，常用的方法是在导电碳材料上负载活性物质硒。例如中国专利文献CN104393304A公开了一种在饱和石墨烯分散液中通入硒化氢气体，通过溶剂热将氧化石墨烯还原成石墨烯的同时将硒化氢气体氧化成硒；中国专利文献CN107204437A公开了一种在硒化物外包覆一层含碳化合物通过高温碳化后，再引入氧化性物质使其氧化成单质硒，但是由于高温碳化过程中硒无法完全被碳材料包覆，导致材料在充放电过程中硒存在溶出的问题。
技术实现思路
为了改善现有技术的不足，本专利技术针对当前锂硒电池正极材料中原材料来源有限且制备方法苛刻等问题，发展了一种温和且更容易实现的高硒负载量的制备方法。本专利技术的第一方面是提供一种碳硒复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将生物材料和无机盐或碱混合，高温碳化，得到二维碳材料；(2)将步骤(1)的二维碳材料与硒的有机溶液混合，加热至有机溶剂挥发后，进行加热处理，制备得到所述碳硒复合材料。根据本专利技术，其中，步骤(1)中，所述的生物材料选自可溶性淀粉、魔芋粉、玉米叶、槟榔、松子壳、核桃壳、竹子、甘蔗渣中的一种或两种以上，所述的无机盐选自草酸钾、柠檬酸钾、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钙中的一种或者两种以上，所述的碱选自氨水、尿素、三聚氰胺中的一种或者两种以上。根据本专利技术，其中，步骤(1)中，所述的生物材料和无机盐或碱的质量比为1:20-1:1。根据本专利技术，其中，步骤(1)中，所述的高温碳化是在600-1000℃进行，优选750-900℃；所述的高温碳化的时间为1-10h，优选3-6h。根据本专利技术，其中，步骤(1)中，还包括对高温碳化后的产物进行稀盐酸清洗、干燥，制备得到二维碳材料，优选为二维碳纳米材料。根据本专利技术，其中，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液中的溶剂选自丙酮、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种以上；所述的硒选自硒单质。根据本专利技术，其中，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液的浓度为0.5-3mol/L，如1mol/L。根据本专利技术，其中，步骤(2)中，二维碳材料与硒的质量比为(10-50)：(50-90)，如40:60。根据本专利技术，其中，步骤(2)中，所述的加热处理过程是指以2-10℃/min，优选4-8℃/min升温到200-350℃，优选240-300℃，恒温5-30h，优选10-20h。本专利技术的第二个方面是提供一种碳硒复合材料，所述碳硒复合材料包括硒单质和碳材料，所述硒单质负载在碳材料表面，所述硒单质的负载量为40wt％-80wt％，优选为60wt％-80wt％，如65wt％-80wt％。根据本专利技术，所述碳硒复合材料中的碳材料为具有较高比表面积的微介孔材料。根据本专利技术，所述碳硒复合材料是通过上述方法制备得到的。本专利技术的第三个方面是提供上述碳硒复合材料的用途，其用于正极材料，优选用于锂硒电池的正极材料。本专利技术的第四个方面是提供一种锂硒电池，其包含正极材料，所述正极材料为上述的硒碳复合材料。根据本专利技术，其中，所述锂硒电池还包括含锂负极，隔膜和电解液。根据本专利技术，其中，所述的含锂负极选自锂金属、锂化石墨负极，锂化硅碳负极中的一种或两种以上。根据本专利技术，其中，所述的隔膜选自商业化celgard隔膜、whatman膜、纤维素膜，聚合物膜中的一种或两种以上。根据本专利技术，其中，所述的电解液为碳酸酯电解液，醚类电解液或离子液体中的一种或两种以上。根据本专利技术，所述碳酸酯电解液中，溶剂选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)和碳酸甲乙酯中的一种或多种，溶质选自六氟磷酸锂(LiPF6)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、高氯酸锂(LiClO4)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)中的一种或多种；根据本专利技术，所述的醚电解液中，溶剂选自1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)和三乙二醇二甲醚(TEGDME)中的一种或多种，溶质选自六氟磷酸锂(LiPF6)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、高氯酸锂(LiClO4)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)中的一种或多种；根据本专利技术，所述的离子液体中，离子液体为室温离子液体[EMIm]NTf2(1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)、[Py13]NTf2(N-丙基-N-甲基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐)和[PP13]NTf2(N-丙基-N-甲基哌啶烷双三氟甲磺酰亚胺盐)中的一种或几种；根据本专利技术，所述电解液中还含有锂盐，所述锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF6)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、高氯酸锂(LiClO4)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)中的一种或多种。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用，与现有技术相比，本专利技术提供的碳硒复合材料制备方法中，二维碳材料不仅原料来源广泛简单易得，制备方法简单，实用化程度较高，且得到的碳硒复合材料表现出优异的电化学性能。本专利技术采用一步水热反应制备二维碳材料，所述二维碳材料含有丰富的微介孔结构，且其具有较高的石墨化程度，将此二维碳材料与硒进行低温复合和活化，得到碳硒复合材料，所述碳硒复合材料中单质硒均匀负载于二维碳材料表面的微介孔中，负载率高达80％，同时有效改善正极材料的电导率低的问题；以此碳硒复合材料作为正极材料组装得到电化学稳定的锂硒电池。附图说明图1为实施例1中制备的二维碳纳米材料的扫描电子显微镜照片。图2为实施例1中制备的碳硒复合材料的XRD曲线和热重曲线。图3为实施例1中锂硒电池在0.1C下的充放电曲线。图4为对比例1中锂硒电池在0.1C下的充放电曲线。图5为对比例2中制备的碳硒复合材料的热重曲线。图6为对比例2中锂硒电池在0.1C下的充放电曲线。具体实施方式下文将结合具体实施例对本专利技术的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本专利技术，而不应被解释为对本专利技术保护范围的限制。凡基于本专利技术上述内容所实现的技术均涵盖在本专利技术旨在保护的范围内。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1(一)碳硒复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳硒复合材料的制备方法，其中，包括以下步骤：/n(1)将生物材料和无机盐或碱混合，高温碳化，得到二维碳材料；/n(2)将步骤(1)的二维碳材料与硒的有机溶液混合，加热至有机溶剂挥发后，进行加热处理，制备得到所述碳硒复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳硒复合材料的制备方法，其中，包括以下步骤：
(1)将生物材料和无机盐或碱混合，高温碳化，得到二维碳材料；
(2)将步骤(1)的二维碳材料与硒的有机溶液混合，加热至有机溶剂挥发后，进行加热处理，制备得到所述碳硒复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述的生物材料选自可溶性淀粉、魔芋粉、玉米叶、槟榔、松子壳、核桃壳、竹子、甘蔗渣中的一种或两种以上，所述的无机盐选自草酸钾、柠檬酸钾、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钙中的一种或者两种以上，所述的碱选自氨水、尿素、三聚氰胺中的一种或者两种以上。
优选地，步骤(1)中，所述的生物材料和无机盐或碱的质量比为1:20-1:1。
优选地，步骤(1)中，所述的高温碳化是在600-1000℃进行，优选750-900℃；所述的高温碳化的时间为1-10h，优选3-6h。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液中的溶剂选自丙酮、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种以上；所述的硒选自硒单质。
优选地，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液的浓度为0.5-3mol/L，如1mol/L。
优选地，步骤(2)中，二维碳材料与硒的质量比为(10-50)：(50-90)，如40:60。
优选地，步骤(2)中，所述的加热处理是指以2-10℃/min，优选4-8℃/min升温到200-350℃，优选240-300℃，恒温5-30h，优选10-20h。


4.一种碳硒复合材料，所述碳硒复合材料包括硒单质和碳材料，所述硒单质负载在碳材料表面，所述硒单质的负载量为40wt％-80wt％，优选为60wt％-80wt％，如65wt％-80wt％。


5.根据权利要求4所述的碳硒复合材料，其中，所述碳硒复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宪祥，王泓睿，吴雄伟，史梦钰，谭彬，马强，邓奇，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43