一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料及制法制造技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种氮‑硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，以3‑噻吩乙酸为硫源、聚丙烯腈为氮源和碳源，得到氮‑硫共掺杂多孔碳，具有超高的比表面积，以其为基底、三乙醇胺和乙酸锌为原料，得到氮‑硫共掺杂多孔碳负载多孔ZnO纳米空心球，具有超高的比表面积，有利于暴露电化学活性位点，N掺杂改善了多孔碳的导电性，S掺杂提高了多孔碳的比表面积，同时与N协同构建三维导电网络，提高了多孔碳的导电性，均匀分散的多孔ZnO纳米空心球被氮‑硫共掺杂多孔碳包覆，缓冲ZnO的体积效应，提高循环稳定性、导电性，且缩短了锂离子的扩散路径，提高了负极材料的倍率性能和理论比容量。

【技术实现步骤摘要】
一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料及制法
本专利技术涉及锂离子电池
，具体为一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料及制法。
技术介绍
最近几十年来，锂离子电池因为具有较大的能量密度、无记忆效应、较高的工作电压、较长的循环寿命等优点，在电网、电动汽车、便携式电子设备等领域广泛应用，同时与其他的如超级电容器等储能体系相比，锂离子电池极大地满足了可再生和可持续能源发展的要求，但是目前的锂离子电池的能量密度和功率密度仍然无法满足人们更高的使用需求，而负极是锂离子电池的一个关键组分，目前的商业负极材料是石墨，但是其理论比容量很低，因此，需要开发出新的锂离子电池的电极材料。四氧化三钴、氧化锌、四氧化三铁、氧化镍等金属氧化物具有较高的理论比容量，是一种理想的锂离子电池负极材料，受到了极大地关注，其中氧化锌具有较高的理论比容量、丰富的储量、较低的成本、没有毒性等优点，在锂离子电池负极材料具有广阔的应用前景，但是在充放电过程中，氧化锌电极有着严重的体积效应，导致电极极化，从而使得电极的循环稳定性降低，容量快速衰减，使用寿命缩短，而且氧化锌电极的导电性能较差，使得倍率性能不好，限制了其应用范围，碳材料具有优异的导电性、良好的化学稳定性和耐腐蚀性，在锂离子电池负极材料应用广泛，元素掺杂碳材料可以进一步改善其电化学性能。(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料及制法，解决了氧化锌循环稳定性较差、导电性不好的问题。(二)技术方案为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，所述氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料制备方法如下：(1)向反应瓶中加入去离子水溶剂、催化剂哌啶、3-羟基-4-甲氧基苯甲醛、3-噻吩乙酸，三者的质量比为0.6-1.5:100-115:100，在110-140℃下反应1.5-3h，得到苯乙烯基噻吩，分子式为C13H11O2S；(2)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、催化剂三乙胺、丙烯酰氯、苯乙烯基噻吩，置于水浴锅中分散均匀，进行反应，过滤，用去离子水洗涤干净并干燥，得到端烯基噻吩化合物，分子式为C16H14O3S；(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、引发剂偶氮二异丁腈、端烯基噻吩化合物、丙烯腈，置于水浴锅中分散均匀，进行反应，过滤，用甲醇洗涤干净并干燥，得到含硫聚丙烯腈；(4)向反应瓶中加入去离子水溶剂、制孔剂氯化锌、含硫聚丙烯腈，置于水浴锅中分散均匀并干燥，将干燥产物置于管式炉中，进行预氧化和碳化过程，用稀盐酸的乙醇水溶液除去氯化锌，离心分离，用去离子水、无水乙醇洗涤干净并干燥，得到氮-硫共掺杂多孔碳；(5)向反应瓶中加入去离子水溶剂、乙酸锌、氮-硫共掺杂多孔碳，置于水浴锅中分散均匀，加入三乙醇胺，置于水浴锅中分散均匀，置于微波反应器中，进行微波水热反应，冷却至室温，抽滤，用去离子水、无水乙醇洗涤干净并干燥，得到氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料。优选的，所述步骤(2)中三乙胺、丙烯酰氯、苯乙烯基噻吩的质量比为0.4-1:35-50:100。优选的，所述步骤(2)中反应的条件为在0-5℃下反应2-3.5h。优选的，所述步骤(3)中偶氮二异丁腈、端烯基噻吩化合物、丙烯腈的质量比为0.4-1:5-20:100。优选的，所述步骤(3)中反应的条件为在85-100℃下反应10-20h。优选的，所述步骤(4)中氯化锌、含硫聚丙烯腈的质量比为45-75:100。优选的，所述步骤(4)中预氧化和碳化过程为在270-300℃下预氧化1.5-3h，在氮气氛围中550-650℃下碳化15-45min。优选的，所述步骤(5)中乙酸锌、氮-硫共掺杂多孔碳、三乙醇胺的质量比为35-65:100:350-650。优选的，所述步骤(5)中微波水热反应的条件为在270-330W下反应3-6min。(三)有益的技术效果与现有技术相比，本专利技术具备以下有益的技术效果：该一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，在催化剂哌啶的作用下，3-噻吩乙酸上的亚甲基与3-羟基-4-甲氧基苯甲醛上的醛基发生Knoevenagel反应，得到苯乙烯基噻吩，引入羟基基团，进一步丙烯酰氯的丙烯酰基取代羟基上的氢原子，得到端烯基噻吩化合物，引入端烯基基团，在引发剂偶氮二异丁腈的作用下，与丙烯腈单体发生共聚，得到含硫聚丙烯腈，经过制孔剂氯化锌活化、预氧化、碳化，得到氮-硫共掺杂多孔碳，孔隙结构丰富，具有超高的比表面积，有利于暴露电化学活性位点，以其作为基底，三乙醇胺与Zn2+形成Zn2+-三乙醇胺的金属-有机超分子，同时三乙醇胺水解生成OH-，与Zn2+络合生成Zn(OH)42-配合物，进而在微波的作用下分解生成ZnO纳米粒子，为了降低其较高的吉布斯自由能，ZnO纳米粒子在氮-硫共掺杂多孔碳上会发生定向聚集，经熟化自组装得到ZnO纳米球，同时因为金属-有机超分子具有空间位阻作用，使得ZnO纳米粒子在聚集的过程中产生错位和交叠，进而形成孔隙结构，得到氮-硫共掺杂多孔碳负载多孔ZnO纳米空心球，独特的多孔纳米空心球状形貌，孔隙结构丰富，具有超高的比表面积，有利于暴露出更多的电化学活性位点。该一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，N原子掺杂进多孔碳的晶格中，提高了多孔碳的电化学性质，改善了多孔碳的导电性，S原子半径较大，掺杂进多孔碳的晶格中，使得多孔碳缺陷增多，提高了多孔碳的比表面积，从而暴露出更多的电化学活性位点，同时与N原子协同构建出三维多孔网状结构，加速电子转移，从而提高了多孔碳的导电性。该一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，ZnO均匀分散在氮-硫共掺杂多孔碳的基底中，使得ZnO被氮-硫共掺杂多孔碳包覆，从而使得ZnO在充放电过程中产生的体积效应得到缓冲，同时减少了ZnO的团聚，从而提高了负极材料的循环稳定性，且氮-硫共掺杂多孔碳的包覆，加速了电子的转移，从而提高了负极材料的导电性，在充放电过程中，ZnO得电子与Li+发生可逆反应生成Zn和Li2O，进一步Zn得电子与Li+发生可逆反应生成LiZn，使得ZnO具有优异的电化学可逆性，从而提高了负极材料的储锂性能，同时多孔ZnO纳米空心球的尺寸较小，缩短了锂离子的扩散路径，提高了负极材料的倍率性能和理论比容量，使得氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料具有优异的导电性、循环稳定性、倍率性能、理论比容量。附图说明图1是苯乙烯基噻吩结构式；图2是端烯基噻吩化合物结构式。具体实施方式为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料制备方法如下：(1)向反应瓶中加入去离子水溶剂、催化剂哌啶、3-羟基-4-甲氧基苯甲醛、3-噻吩乙酸，三者的质量比为0.6-1.5:100-115:100，在110-140℃下反应1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，其特征在于：所述氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料制备方法如下：/n(1)向去离子水溶剂中加入催化剂哌啶、3-羟基-4-甲氧基苯甲醛、3-噻吩乙酸，三者的质量比为0.6-1.5:100-115:100，在110-140℃下反应1.5-3h，得到苯乙烯基噻吩，分子式为C

【技术特征摘要】
1.一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，其特征在于：所述氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料制备方法如下：
(1)向去离子水溶剂中加入催化剂哌啶、3-羟基-4-甲氧基苯甲醛、3-噻吩乙酸，三者的质量比为0.6-1.5:100-115:100，在110-140℃下反应1.5-3h，得到苯乙烯基噻吩，分子式为C13H11O2S；
(2)向四氢呋喃溶剂中加入催化剂三乙胺、丙烯酰氯、苯乙烯基噻吩，置于水浴锅中分散均匀，进行反应，过滤，洗涤并干燥，得到端烯基噻吩化合物，分子式为C16H14O3S；
(3)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入引发剂偶氮二异丁腈、端烯基噻吩化合物、丙烯腈，置于水浴锅中分散均匀，进行反应，过滤，洗涤并干燥，得到含硫聚丙烯腈；
(4)向去离子水溶剂中加入制孔剂氯化锌、含硫聚丙烯腈，置于水浴锅中分散均匀并干燥，将干燥产物置于管式炉中，进行预氧化和碳化过程，用稀盐酸的乙醇水溶液除去氯化锌，离心分离，洗涤并干燥，得到氮-硫共掺杂多孔碳；
(5)向去离子水溶剂中加入乙酸锌、氮-硫共掺杂多孔碳，置于水浴锅中分散均匀，加入三乙醇胺，置于水浴锅中分散均匀，置于微波反应器中，进行微波水热反应，冷却，抽滤，洗涤并干燥，得到氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料。


2.根据权利要求1所述的一种氮-硫共掺杂多孔碳负载氧化锌的负极材料，其特征在于：所述步骤(2)中三乙胺、丙烯酰氯、苯乙烯基噻吩的质量比为0.4-1:35-50:100。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡芳，
申请(专利权)人：杭州芳闻新型材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33