一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法、锂硫电池正极和锂硫电池。其中，所述方法包括：取一前驱体材料；将所述前驱体材料进行多巴胺改性及热处理获得氮掺杂石墨碳封装的改性前驱体颗粒；去除该封装的改性前驱体颗粒中的改性前驱体并离心、洗涤、干燥后得到空心梭形碳纳米笼；将该空心梭形碳纳米笼与升华硫粉热处理后得到氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料。通过上述方式，能够以价格低廉的多巴胺为碳源，以金属氧化物为中间模板制备了一种新型空心梭形碳纳米笼负载硫材料。得益于这种特殊的材料结构设计，制得的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料作为锂硫电池正极展现出了优异的储锂性能。电池正极展现出了优异的储锂性能。电池正极展现出了优异的储锂性能。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂硫电池负极材料制备
，尤其涉及一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法、锂硫电池正极和锂硫电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池是一种应用化广泛的电池体系，它具有无记忆效应、价格低廉、安全无污染、高开路电压等优点，广泛应用于便携式数码设备、电动工具和武装设备等移动电子终端设备领域。随着锂离子电池的实际能量密度逐渐接近其理论值，目前已经无法满足人们对储能的需求。所以，研究具有高能量密度的新型储能电池体系势在必行。锂硫电池被认为是21世纪最接近实用化、最具前景的下一代高新技术产品。单质硫是极具代表性的锂硫电池正极材料，因具有较高的理论比容量(1672mAhg
‑
1)，因此锂硫电池提供的理论能量密度远大于锂离子电池的能量密度。然而，硫正极仍面临着巨大的技术挑战，一是在充放电过程中易形成多硫化物的穿梭，导致电池产生较低的库伦效率同时腐蚀电池的负极；其次在多次锂化过程中常常伴随着较大的体积变化造成结构不稳定，引发活性物质从集流体脱落，严重影响其大电流密度下的容量保持率；最后，硫是绝缘体，导电率较低，在循环过程中极化现象严重。因此设计一种合适的具有高电导的纳米材料来缓冲体积变化同时缓解多硫化物的穿梭效应是众多研究学者们研究的重点。例如，Fei Pei等人制备了一种棒状的多孔碳骨架CNT/S纳米片材料，这种材料具有较高电解质润湿性，CNT高电导提高了复合材料的导电率，而且构建的结构之间存在一定的自由空间，在充放电过程中能有效缓解材料发生的体积变化。得益于这些结构优势，材料表现出优异的长循环性能，在0.5C的电流密度下循环400次还能维持977mAh g
‑
1的容量。Seung
‑
Keun Park等人通过高温处理四氧化三钴和氧化铁的工艺成功制备出了Co@BNCNTs YS纳米球材料，这种材料得益于特殊的三维纳米球核壳结构以及在导电CNT上生长的优势从而表现出较高的可逆容量和倍率性能，在1C的电流密度下在400次循环后能够达到700.2mAh g
‑
1的容量且容量保持率也在76％。在2C电流密度下也能够具有752mAh g
‑
1的容量。
[0003]然而，现有的硫正材储能方案，主要是解决充放电过程中多硫化物的穿梭效应，其次是解决循环过程中材料发生的巨大体积变化问题以及解决材料导电性低的问题。大多数为了缓解这两个问题的方法主要是通过与碳纳米管的复合，然而，碳纳米管合成过程较为繁琐、价格昂贵。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法、锂硫电池正极和锂硫电池，能够以价格低廉的多巴胺为碳源，以金属氧化物为中间模板制备了一种新型空心梭形碳纳米笼负载硫材料。得益于这种特殊的材料结构设计，制得的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料作为锂硫电池正极展现出了优异的储锂性能。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方
法，包括：取一前驱体材料；将所述前驱体材料进行多巴胺改性及热处理获得氮掺杂石墨碳封装的改性前驱体颗粒；去除该封装的改性前驱体颗粒中的改性前驱体并离心、洗涤、干燥后得到空心梭形碳纳米笼；将该空心梭形碳纳米笼与升华硫粉热处理后得到氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料。
[0006]根据本专利技术的另一个方面，提供一种一种锂硫电池正极，其特征在于，包括上述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法制得的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的锂硫电池正极。
[0007]根据本专利技术的又一个方面，提供一种锂硫电池，包括上述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法制得的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的锂硫电池。
[0008]可以发现，以上方案，为了解决碳纳米管合成过程较为繁琐、价格昂贵。在此，本实施例以价格低廉的多巴胺为碳源，得益于多巴胺能够在几乎所有的基底表面自聚合形成聚多巴胺涂层，包括金属、金属氧化物、陶瓷和合成聚合物。多巴胺通过模仿贻贝中由邻苯二酚和胺和亚胺在其结构上共存而产生的蛋白质的粘附特性，从而在各种纳米结构中表现出出色的粘附性。多巴胺改性可以形成PDA
‑
M(I)或PDA
‑
M(III)，这种结合亲和力有利于金属离子在PDA网络中的存储。进一步以Fe2O3为中间模板制备了一种空心梭形碳纳米笼，进而再合成纺锤形。上述方案能够有效降低成本，并减少繁琐的流程。进一步的本专利技术通过简单的水浴加热法以及载硫过程成功合成了氮掺杂碳修饰空心梭形碳纳米笼载硫复合材料，该材料在作为锂离子电池负极时表现出优异的电化学性能，尤其是倍率性能和循环稳定性；在2C的大电流密度下100次循环之后仍可保留701.1mAhg
‑1的可逆比容量。优异的性能可归因于高电导氮掺杂碳结构不仅能够有效限制了多硫化物的穿梭效应，也为电子传输提供便捷通道，而且有效缓解体积膨胀同时增加额外的储锂位点。材料表面包覆的氮掺杂碳层和超薄纳米片的结构能够有效降低电荷转移电阻和缩短Li
+
的传输距离，从而拥有更好的离子传输动力学是材料拥有出色电化学性能的主要原因。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的流程示意图；
[0011]图2是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的Fe2O3前驱体的SEM图；
[0012]图3是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的Fe2O3包覆盐酸多巴胺后的SEM图；
[0013]图4是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的氮掺杂石墨碳封装的改性Fe2O3前驱体颗粒酸化后刻蚀得到的空心梭形碳纳米笼的SEM图；
[0014]图5是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的空心梭形氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料(S@NC)的XRD图；
[0015]图6是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的Pure
‑
S的SEM图；
[0016]图7是本专利技术氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法一实施例的空心梭形氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的SEM图；
[0017]图8是本专利技术锂硫电极一实施例的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料(S@NC)倍率性能曲线图；
[0018]图9是是本专利技术锂硫电极一实施例的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料(S@NC)在电流密度为2C的条件下循环100次的循环性能曲线。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法，其特征在于，包括：取一前驱体材料；将所述前驱体材料进行多巴胺改性及热处理获得氮掺杂石墨碳封装的改性前驱体颗粒；去除该封装的改性前驱体颗粒中的改性前驱体并离心、洗涤、干燥后得到空心梭形碳纳米笼；将该空心梭形碳纳米笼与升华硫粉热处理后得到氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料。2.如权利要求1所述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体为可与盐酸溶液发生反应的金属氧化物前驱体。3.如权利要求2所述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物前驱体为通过以下方法获得：将金属氧化物置入去离子水中，加入磷酸二氢钠，搅拌后转入水浴锅中，在95℃
‑
100℃下反应65小时
‑
75小时得到沉淀物后离心、洗涤、干燥后得到金属氧化物前驱体。4.如权利要求1所述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述将所述前驱体材料进行多巴胺改性及热处理获得氮掺杂石墨碳封装的改性前驱体颗粒的步骤中多巴胺改性具体包括：取适量前驱体分散于Tris pH＝8.0～9.0缓冲溶液中，按照前驱体与盐酸多巴胺质量比1:0.1
‑
0.8的比例加入适量盐酸多巴胺在常温中搅拌10～15小时并烘干获得改性前驱体颗粒。5.如权利要求1所述的氮掺杂碳纳米笼负载硫粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述将所述前驱体材料进行多巴胺改性及热处理获...

【专利技术属性】
技术研发人员：林志雅，欧容秀，林诺灵，林建平，应少明，
申请(专利权)人：宁德师范学院，
类型：发明
国别省市：