一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，具体涉及一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了制备方法，包括以下步骤：将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；所述氮硫源包括硫脲、罗丹宁和噻唑中的一种或几种。实施例的数据表明，以本发明专利技术所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池的负极材料时，在0.1A

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]新时代的发展需求促进了新能源技术的发展。其中，锂离子电池作为商业化最成熟的储能产品，拥有高能量密度和长循环寿命，因此被广泛应用于我们的日常生活中。然而，有限的锂资源、上涨的制造成本以及不均匀分布性，已成为遏制锂离子电池大规模应用的关键。因此，开发出具有低成本和储量丰富的电池技术，引起了人们的广泛关注。
[0003]作为极具前景的可代替锂离子电池的储能设备，钾离子电池由于储量丰富、能量密度高等优点受到越来越多的关注。常见的负极材料石墨具有279mA
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‑1的理论储钾比容量，但由于钾离子较大的离子半径导致电极材料易发生体积膨胀，导致循环性能性能差。因此，设计和开发一种新型的钾离子电池负极材料非常具有意义和必要性。
[0004]目前，各类型钾离子电池负极材料已被报道，如炭材料、合金材料、金属氧化物/硫化物和有机材料，其中炭材料由于其低成本、丰富的资源和环境友好性而被认为是最有前途的负极材料。但炭基材料在充放电中会产生高的电压极化，甚至在高倍率下出现钾金属沉积，导致电化学性能不佳。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供了一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用，本专利技术所提供的氮硫共掺杂多孔炭用于钾离子电池负极时，具有良好的电化学性能。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种氮硫共掺杂多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；
[0008]将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；
[0009]所述氮硫源包括硫脲、罗丹宁和噻唑中的一种或几种；
[0010]所述第一炭化的温度为250～450℃，保温时间为1～3h；
[0011]所述第二炭化的温度为600～1000℃，保温时间为2～10h。
[0012]优选地，所述沥青包括煤沥青和/或石油沥青。
[0013]优选地，所述沥青和氯化钠的质量比为1:4～10。
[0014]优选地，所述蒸干为水浴蒸干，所述水浴蒸干的温度为60～100℃，保温时间为3～12h。
[0015]优选地，所述混合优选为将沥青、氯化钠和极性有机溶剂进行第一混合，所得分散液和氮硫源进行第二混合，得到混合浆料。
[0016]本专利技术还提供了上述所述的制备方法制备得到的氮硫共掺杂多孔炭，孔径为100
～300nm，氮的掺杂含量为3～10at.％，硫的掺杂含量为2～8at.％。
[0017]本专利技术还提供了上述所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池负极材料中的应用。
[0018]本专利技术还提供了一种钾离子电池负极所述钾离子电池负极包括铜片铜箔和涂覆铜箔表面的负极材料，所述负极材料包括氮硫共掺杂多孔炭、导电剂和粘结剂，所述氮硫共掺杂多孔炭为上述所述的氮硫共掺杂多孔炭。
[0019]优选地，所述导电剂包括乙炔黑，所述粘合剂包括羧甲基纤维素钠。
[0020]优选地，所述氮硫共掺杂多孔炭、导电剂和粘结剂的质量比为70:20:10。
[0021]本专利技术提供了一种氮硫共掺杂多孔炭的制备方法，包括以下步骤：将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；所述氮硫源包括硫脲、罗丹宁和噻唑中的一种或几种；所述第一炭化的温度为250～450℃，保温时间为1～3h；所述第二炭化的温度为600～1000℃，保温时间为2～10h。本专利技术通过在碳框架中引入氮、硫原子扩大了碳层间距并且增加结构缺陷和储钾活性位点，因此，本专利技术提供的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池负极材料时可逆比容量较高。
[0022]另外，由于合理的混匀方式和适当的反应条件，因此，本专利技术提供的氮硫共掺杂多孔炭中氮、硫元素的掺杂量多，且掺杂均匀，而且由于本专利技术提供的氮硫共掺杂多孔炭中氮、硫掺杂量多且均匀，使得炭基体中具有丰富的缺陷和储钾活性位点、大的碳层间距以及稳固的网络结构，有利于钾离子快速、稳定的传输进而提高电化学性能。实施例的数据表明，以本专利技术所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池的负极材料时，在0.1A
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‑1电流密度下可逆比容量可达240～300mAh
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‑1，且在2A
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‑1的大电流密度下依然能保留150～200mAh
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‑1的可逆比容量，具有优异的可逆容量与倍率性能。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备得到的氮硫共掺杂多孔炭的SEM测试图；
[0024]图2为实施例1制备得到的氮硫共掺杂多孔炭的XRD测试图；
[0025]图3为实施例1制备得到的氮硫共掺杂多孔炭在不同电流密度下的倍率性能图。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种氮硫共掺杂多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：
[0027]将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；
[0028]将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；
[0029]所述第一炭化的温度为250～450℃，保温时间为1～3h；
[0030]所述第二炭化的温度为600～1000℃，保温时间为2～10h。
[0031]在本专利技术中，所述氮硫源包括硫脲、罗丹宁和噻唑中的一种或几种，优选为罗丹宁。在本专利技术中，所述沥青优选为煤沥青和/或石油沥青，优选为煤沥青。在本专利技术中，所述煤沥青的软化点优选为120℃，结焦值优选≥45％，水分优选≤3％，灰分优选≤0.4％，硫质量含量优选≤0.3％。在本专利技术中，所述极性有机溶剂优选为甲醇。
[0032]在本专利技术中，所述沥青和氯化钠的质量比为1:4～10，更优选为1:5～8。在本专利技术中，所述氮硫源和沥青的质量比优选为1:1～3，更优选为1：2。在本专利技术中，所述沥青的质量和极性有机溶剂的体积比优选为1g：5～15mL，更优选为1g：10mL。
[0033]在本专利技术中，所述混合优选为将沥青、氯化钠和极性有机溶剂进行第一混合，所得分散液和氮硫源进行第二混合，得到混合浆料。
[0034]在本专利技术中，所述干燥优选为水浴蒸干，所述水浴蒸干的温度优选为60～100℃，更优选为80～90℃，时间优选为3～12h，更优选为5～10h。
[0035]在本专利技术中，所述第一炭化和第二炭化优选在保护气氛中进行，所述保护气氛优选为氮气或氩气。在本专利技术中，第一炭化或第二炭化时，保护气氛的流速优选为200～400sccm，更优选为250～350sccm。在本专利技术中，所述第一炭化的温度为250～450℃，优选为300℃，所述第一炭化的保温时间为1～3h，更优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂多孔炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；所述氮硫源包括硫脲、罗丹宁和噻唑中的一种或几种；所述第一炭化的温度为250～450℃，保温时间为1～3h；所述第二炭化的温度为600～1000℃，保温时间为2～10h。2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述沥青包括煤沥青和/或石油沥青。3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述沥青和氯化钠的质量比为1:4～10。4.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述干燥的方式包括水浴蒸干，所述水浴蒸干的温度为60～100℃，保温时间为3～12h。5.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述混合优选为将沥青、氯化钠和极性有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋江民，江野，鞠治成，庄全超，崔永莉，史月丽，陈亚鑫，
申请(专利权)人：江苏省中以产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：