一种聚酰胺-胺型树枝状高分子表面改性碳材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种聚酰胺

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术属于电池材料领域，尤其涉及一种改性碳材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]锂硫电池是采用单质硫为正极，金属锂为负极的二次锂离子电池，其理论能量密度高达 2600Wh/kg。但硫正极材料导电率低和电化学反应中间产物多硫化物溶于电解液形成“穿梭效应”，易导致活性物质利用率低和循环寿命差。
[0003]研究发现，将纳米结构导电碳与硫复合，提高了电极电子电导。同时，高比表面积导电碳可对多硫化物进行“物理限域”，抑制其“穿梭效应”。但物理吸附固硫作用有限，对电池循环性能依然有影响。研究人员在碳/硫复合电极中添加系列金属氧化物/硫化物/氮化物等，利用其表面极性基团化学吸附或催化多硫化物，能够提升电池的循环性能。但上述金属化合物的添加增加了电极极片重量，降低了电池质量比能量密度。因此，研发一种新型碳材料作为硫载体，提升电池循环性能具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种聚酰胺
‑ꢀ
胺型树枝状高分子表面改性碳材料及其制备方法、应用，该改性碳材料用于锂硫电池可以提升硫利用率，提高电池的循环寿命。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0005]一种聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料，包括碳材料本体以及接枝负载于所述碳材料本体上的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子，且所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子通过
‑
CO
‑
NH
‑
基团接枝负载于所述碳材料本体上，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的平均分子量为14000
‑
21000。
[0006]上述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料中，优选的，所述碳材料包括碳纳米颗粒、非金属元素(如N，P，S，O)掺杂碳纳米颗粒、石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种。
[0007]上述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料中，优选的，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的负载量为1
‑
15wt％。聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子负载量太低对多硫化物的束缚能力较弱；负载量太多会导致导电碳载体的导电能力降低。我们优选研究表明，控制在上述负载量，可以得到性能均衡的产品。更优选的，聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子负载量为5
‑
11wt％。
[0008]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将碳材料本体与酸性溶液混合对碳材料进行表面改性处理，得到改性碳材料；
[0010](2)选择表面官能团为
‑
NH2或
‑
COOCH3的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子，将改性碳材料与聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子混合进行接枝反应，即得到所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表
面改性碳材料。
[0011]上述制备方法中，优选的，所述酸性溶液包括1
‑
3mol/L的硝酸溶液和硫酸溶液中的至少一种；所述表面改性处理为将反应体系在30
‑
70℃下反应2
‑
5h后，再经过离心分离、清洗和干燥处理。
[0012]上述制备方法中，优选的，选择表面官能团为
‑
NH2的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子与改性碳材料混合进行接枝反应，所述接枝反应为将改性碳材料水溶液或改性碳材料醇溶液和聚酰胺
‑ꢀ
胺型树枝状高分子混合反应6
‑
24h后再进行离心分离、清洗和干燥处理。
[0013]上述制备方法中，优选的，所述改性碳材料水溶液或改性碳材料醇溶液的浓度为 20
‑
100mg/mL(指改性碳材料的浓度，即每mL溶液中含20
‑
100mg改性碳材料)，所述改性碳材料水溶液或改性碳材料醇溶液与聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的体积比为2：(1
‑
6)。
[0014]上述制备方法中，优选的，选择表面官能团为
‑
COOCH3的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子与改性碳材料混合进行接枝反应，所述接枝反应为将改性碳材料的氨水溶液和聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子密闭混合反应6
‑
24h后再进行离心分离、清洗和干燥处理。
[0015]上述制备方法中，优选的，所述改性碳材料的氨水溶液的浓度为20
‑
100mg/mL(指改性碳材料的浓度，即每mL氨水溶液中含20
‑
100mg改性碳材料，上述氨水溶液中氨的含量不限，保证本专利技术能生成
‑
CO
‑
NH
‑
基团即可)，所述改性碳材料的氨水溶液与聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的体积比为2：(1
‑
6)。
[0016]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料的应用，将所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料用作硫载体以制备锂硫电池的硫复合电极，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料负载硫时，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料与硫的质量比为1：(4
‑
8)。
[0017]聚酰胺
‑
胺型树状高分子具有独特的树状结构，内部具有丰富的空腔，外部具有大量有机官能团。该空腔可有效容纳电化学反应过程中的多硫化物分子(直径约为1
‑
1.8nm)，而外部的功能化有机官能团可有效吸附多硫化物。与传统的多孔结构导电碳相比，高度支化结构功能化聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子改性碳材料利用其表面丰富有机官能团可实现在充放电过程中对多硫化物进行物理限域、化学吸附，解决了现有技术中多孔碳材料仅对多硫化物进行单一的物理吸附，提升锂硫电池充放电稳定性。
[0018]然而调控聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的表面官能团、分子量对其活性、稳定性影响较大。我们研究表明，采用表面官能团为
‑
NH2或
‑
COOCH3的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子，其与改性碳材料进行反应，可以生成
‑
CO
‑
NH
‑
基团，
‑
CO
‑
NH
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料，其特征在于，包括碳材料本体以及接枝负载于所述碳材料本体上的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子，且所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子通过
‑
CO
‑
NH
‑
基团接枝负载于所述碳材料本体上，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的平均分子量为14000
‑
21000。2.根据权利要求1所述的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料，其特征在于，所述碳材料包括碳纳米颗粒、非金属元素掺杂碳纳米颗粒、石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料，其特征在于，所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子的负载量为1
‑
15wt％。4.一种如权利要求1
‑
3中任一项所述的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将碳材料本体与酸性溶液混合对碳材料进行表面改性处理，得到改性碳材料；(2)选择表面官能团为
‑
NH2或
‑
COOCH3的聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子，将改性碳材料与聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子混合进行接枝反应，即得到所述聚酰胺
‑
胺型树枝状高分子表面改性碳材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液包括1
‑
3mol/L的硝酸溶液和硫酸溶液中的至少一种；所述表面改性处理为将反应体系在30
‑
70℃下反应2
‑
5h后，再经过离心分离、清洗和干燥处理。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚山山，黎天保，涂飞跃，张翠娟，焦灿，李中良，曹景超，王艳华，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：