CN105990573A - 一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料及其制备方法和用途。本发明的复合材料由同轴氮掺杂多孔碳材料和单质硫复合而成,所述复合材料制备方法为:首先将同轴氮掺杂多孔聚合物/一维碳纳米复合材料在管式炉和惰性气体保护中通过高温处理形成同轴氮掺杂多孔碳材料,然后与硫单质进行热处理复合而得到。本发明同时提供了基于该复合材料的锂硫电池,该电池表现出高的放电比容量,循环稳定性和良好的倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于锂硫电池领域,特别涉及一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
随着全球能源的不断消耗和环境恶化的加剧,电化学储能成为21世纪人类面临的一个十分迫切而又严峻的问题。其中锂离子二次电池因为其较高的能量密度与工作电压,无记忆效应,循环寿命长,环境友好等特点而得到广泛应用。但是基于“脱嵌”理论,目前商业化的锂离子电池,其理论比容量目前小于300mAh g-1,实际能量密度小于200Wh kg-1,远不能满足人们对电动汽车充一次电行驶500km的要求。
单质硫在地球上的储量丰富,成本低廉且毒性小,其理论比容量高达1675mAh g-1,理论能量密度高达2600Wh kg-1,因而可以满足这一要求。但是目前锂硫电池依然存在一些问题需要解决,一是单质硫与放电产物硫化锂导电性差;二是中间产物多硫离子易于溶解而导致“穿梭效应”;三是单质硫放电生成硫化锂后体积膨胀导致正极材料的结构破坏。因此需要开发具有优良结构和高导电性的正极材料来解决这些问题。
目前常见的有碳/硫复合材料,导电聚合物/硫复合材料以及金属氧化物/硫复合材料。对于碳/硫复合材料,涉及多孔碳/硫复合材料,碳纳米管/硫复合材料,碳纳米纤维/硫复合材料,石墨烯/硫复合材料,氧化石墨/硫复合材料等。其特点是原料来源广泛,结构可设计性强。但仍需要简化制备工艺,同时提高循环稳定性和倍率性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料。本发明的氮掺杂多孔碳/硫复合材料是由以一维碳纳米材料为核,氮掺杂多孔碳为壳组成的同轴结构碳材料与单质硫复合而成。
为达上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料,将以一维碳纳米材料为核,氮掺杂多孔碳材料为壳的同轴结构碳材料与单质硫复合而成。
利用同轴结构的氮掺杂多孔碳材料的含氮量高,导电网络丰富,机械韧性良好,高比表面积和均匀介孔分布的特点,与单质硫复合应用于锂硫电池中表现良好的循环稳定性和倍率性能。
作为优选,所述同轴氮碳材料中氮含量为1重量%-30重量%,例如为3重量%、6重量%、10重量%、15重量%、22重量%、29重量%等。
作为优选,所述复合材料中硫含量为25重量%-90重量%,例如为28重量%、33重量%、40重量%、55重量%、70重量%、85重量%等。
本发明的目的之一还在于提供一种本发明所述的氮掺杂多孔碳/硫复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将含氮有机物,醛类化合物和一维碳纳米材料通过溶剂热法进行原位复合得到氮掺杂多孔聚合物前驱体;用溶剂洗涤并分离出来;
(2)在惰性气体保护下将步骤(1)得到的前驱体进行高温处理得到具有含氮量高,孔结构丰富,结构均匀的同轴氮掺杂多孔碳;
(3)将步骤(2)得到的同轴氮掺杂多孔碳与单质硫进行热处理得到氮掺杂多孔碳/硫复合材料。
本发明的制备方法工艺简单,可以满足实际需求。
作为优选,步骤(1)中所述含氮有机物为含氮有机物单体或含氮聚合物中的一种或者多种的组合,优选为2-萘胺、联苯胺、己二胺、乙二胺、三乙胺、三聚氰胺、多巴胺、聚苯胺中的一种或者多种的组合,进一步优选为联苯胺、苯胺和三聚氰胺中的一种或者多种的组合。
作为优选,步骤(1)中所述醛类化合物为脂肪链醛类和芳香醛类的一种或者多种的组合,优选为辛醛、壬醛、癸醛、十一醛、月桂醛(十二醛)、十三醛、肉豆蔻醛(十四醛)、甲基己基乙醛、甲基辛基乙醛、甲基壬基乙醛、三甲基己醛、四甲基己醛、苯甲醛、邻苯二甲醛、对苯二甲醛、间苯二甲醛、苯乙醛、苯丙醛、桂醛中的一种或者多种的组合,进一步优选为苯甲醛,苯乙醛,间苯二甲醛和对苯二甲醛中的一种或者多种的组合。
作为优选,步骤(1)中所述一维碳纳米材料为单壁碳纳米管,多壁碳纳米管,碳纳米纤维中的一种或者多种的组合,优选为多壁碳纳米管和碳纳米纤维中的一种或者多种的组合。
作为优选,步骤(1)中所述单质硫为升华硫、沉降硫、精制硫中的一种或者多种的组合,优选为升华硫。
作为优选,步骤(1)中所述含氮有机物和醛类化合物的质量比为0.1:1~10:1,例如为0.3:1、0.8:1、1.6:1、3:1、7:1、9.5:1等
作为优选,步骤(1)中所述含氮有机物与醛类化合物的总质量与一维碳纳米材料的质量比为5:1~30:1,例如为8:1、12:1、17:1、23:1、28:1等。
作为优选,步骤(1)中所述溶剂热法中,相对于1g含氮有机物,溶剂的体积为10-30mL。
作为优选,步骤(2)中所述高温处理的温度为400~1200℃;处理的时间0.5~5h。
作为优选,步骤(3)中所述热处理的温度为130~500℃,优选为130~300℃,更优选为130~200℃;热处理的时间为1~40h,优选为10~30h,更优选为15~25h。
本发明的目的之一还在于提供一种锂硫电池正极材料,其含有本发明所述的氮掺杂多孔碳/硫复合材料。
作为优选,所述正极材料通过如下方法得到:将本发明所述复合材料与导电剂,粘结剂按照质量比为4-15:0.3-3:1,优选为8:1:1均匀混合并涂覆于铝箔上得到。
作为优选,所述导电剂为乙炔黑、炭黑、石墨中的一种或者多种的组合,优选为乙炔黑。
作为优选,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的一种或者多种的组合,优选为聚偏氟乙烯。
本发明所提供的锂硫电池正极材料所采用的氮掺杂多孔碳材料,经过高温处理后氮含量仍可以保持在1.0重量%~30重量%,较高的氮含量有利于解决锂硫电池中的“穿梭效应”问题,同时经过高温处理使其具有良好的导电性。在复合材料中,一维碳纳米材料作为核,起到了增强电子和离子传输的作用,外部氮掺杂多孔碳起到了储硫和束缚电池工作中的中间产物的作用。
因此,本发明所提供的一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料在锂硫电池中表现出高的放电比容量,循环稳定性和良好的倍率性能。
附图说明
图1为实施例4得到的氮掺杂多孔碳同轴复合材料的高分辨透射电镜照片;
图2为实施例4得到的氮掺杂多孔碳同轴复合材料的扫描电子显微镜照片;
图3为实施例4得到的氮掺杂多孔碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料的循环性能曲线;
图4为实施例4得到的氮掺杂多孔碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料的倍率性能曲线。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅用于帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将三聚氰胺,间苯二甲醛,碳纳米管按照质量比100:80:24,与二甲基亚砜(按照三聚氰胺的浓度为0.05g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm升温至400℃处理5小时后,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比2:3在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至155℃并保温20h即得。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例2
(1)将联苯胺,间苯二甲醛,碳纳米纤维按照质量比100:120:24,与二甲基亚砜(按照联苯胺的浓度为0.10g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至600℃处理3.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比3:4在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至165℃并保温15h即得。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例3
(1)将苯胺,苯甲醛,碳纳米纤维按照质量比100:120:24,与二甲基亚砜(按照苯胺的浓度为0.06g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至800℃处理4.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比4:3在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至185℃并保温15h即得。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例4
(1)将三聚氰胺,对苯二甲醛,碳纳米管按照质量比100:80:24,与二甲基亚砜(按照三聚氰胺的浓度为0.08g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至900℃处理1小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比2:3在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至195℃并保温15h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
图1为本实施例得到的氮掺杂多孔碳同轴复合材料的高分辨透射电镜照片;图2为本实施例得到的氮掺杂多孔碳同轴复合材料的扫描电子显微镜照片,从图1和2中可以看出同轴结构的存在。
图3为本实施例得到的氮掺杂多孔碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料的循环性能曲线;图4为本实施例得到的氮掺杂多孔碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料的倍率性能曲线。从图3及图4中可以看出利用本发明的复合材料制得的正极材料的稳定性及倍率性能优异。
实施例5
(1)将三聚氰胺,苯甲醛,碳纳米管按照质量比100:40:24,与二甲基亚砜(按照三聚氰胺的浓度为0.06g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至1000℃处理0.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比2:1在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至155℃并保温24h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例6
(1)将苯胺,苯乙醛,碳纳米纤维按照质量比100:120:24,与二甲基亚砜(按照苯胺的浓度为0.05g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至1200℃处理0.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比7:4在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至155℃并保温20h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例7
(1)将联苯胺,对苯二甲醛,碳纳米纤维按照质量比10:100:4,与二甲基亚砜(按照联苯胺的浓度为0.05g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至600℃处理5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比2:3在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至155℃并保温24h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例8
(1)将联苯胺,苯甲醛,碳纳米管按照质量比100:60:24,与二甲基亚砜(按照联苯胺的浓度为0.08g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至900℃处理2.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比1:3在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至200℃并保温20h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例9
(1)将苯胺,对苯二甲醛,碳纳米管按照质量比100:10:22,与二甲基亚砜(按照苯胺的浓度为0.10g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至1200℃处理0.5小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比1:6在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至130℃并保温15h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
实施例10
(1)将苯胺,间苯二甲醛,碳纳米管按照质量比100:240:24,与二甲基亚砜(按照苯胺的浓度为0.035g/mL)放入厚壁耐压反应瓶中,搅拌下在180℃反应3天后,用二氯甲烷进行洗涤并分离出固体;
(2)之后将所得固体放入管式炉中并调节氩气流量为0.12sccm,升温至800℃处理1小时,得到氮掺杂多孔碳材料;
(3)将所得碳材料与单质硫按质量比1:9在研钵中混合均匀后,放入密闭玻璃管中,按5℃/min的升温速率升温至200℃并保温15h。
自然冷却至室温后,与乙炔黑,聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1,以NMP调浆并均匀混合涂覆于铝箔上,得到该锂硫电池正极材料。
上述实施例制得的复合材料制得的正极材料均具有优异的稳定性及倍率性能。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种氮掺杂多孔碳/硫复合材料,其特征在于,所述复合材料将以一维碳纳米材料为核,氮掺杂多孔碳材料为壳的同轴结构碳材料与单质硫复合而成。
2.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述同轴氮碳材料中氮含量为1重量%-30重量%;
优选地,所述复合材料中硫含量为25重量%-90重量%。
3.一种权利要求1或2所述的氮掺杂多孔碳/硫复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将含氮有机物,醛类化合物和一维碳纳米材料通过溶剂热法进行原位复合得到氮掺杂多孔聚合物前驱体;
(2)在惰性气体保护下将步骤(1)得到的前驱体进行高温处理得到同轴氮掺杂多孔碳;
(3)将步骤(2)得到的同轴氮掺杂多孔碳与单质硫进行热处理得到氮掺杂多孔碳/硫复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述含氮有机物为含氮有机物单体或含氮聚合物中的一种或者多种的组合,优选为2-萘胺、联苯胺、己二胺、乙二胺、三乙胺、三聚氰胺、多巴胺、聚苯胺中的一种或者多种的组合,进一步优选为联苯胺、苯胺和三聚氰胺中的一种或者多种的组合。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述醛类化合物为脂肪链醛类和芳香醛类的一种或者多种的组合,优选为辛醛、壬醛、癸醛、十一醛、月桂醛(十二醛)、十三醛、肉豆蔻醛(十四醛)、甲基己基乙醛、甲基辛基乙醛、甲基壬基乙醛、三甲基己醛、四甲基己醛、苯甲醛、邻苯二甲醛、对苯二甲醛、间苯二甲醛、苯乙醛、苯丙醛、桂醛中的一种或者多种的组合,进一步优选为苯甲醛,苯乙醛,间苯二甲醛和对苯二甲醛中的一种或者多种的组合。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述一维碳纳米材料为单壁碳纳米管,多壁碳纳米管,碳纳米纤维中的一种或者多种的组合,优选为多壁碳纳米管和碳纳米纤维中的一种或者多种的组合;
优选地,所述单质硫为升华硫、沉降硫、精制硫中的一种或者多种的组合,优选为升华硫。
7.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述含氮有机物和醛类化合物的质量比为0.1:1~10:1;
优选地,步骤(1)中所述含氮有机物与醛类化合物的总质量与一维碳纳米材料的质量比为5:1~30:1;
优选地,步骤(1)中所述溶剂热法中,相对于1g含氮有机物,溶剂的体积为10-30mL。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述高温处理的温度为400~1200℃;处理的时间0.5~5h;
优选地,步骤(3)中所述热处理的温度为130~500℃,优选为130~300℃,更优选为130~200℃;热处理的时间为1~40h,优选为10~30h,更优选为15~25h。
9.一种锂硫电池正极材料,其特征在于,含有权利要求1或2所述的氮掺杂多孔碳/硫复合材料或权利要求3-8任一项所述方法制得的氮掺杂多孔碳/硫复合材料。
10.权利要求9所述的正极材料的制备方法,包括如下步骤:将所述复合材料与导电剂,粘结剂按照质量比为4-15:0.3-3:1,优选为8:1:1均匀混合并涂覆于铝箔上得到;
优选地,所述导电剂为乙炔黑、炭黑、石墨中的一种或者多种的组合,优选为乙炔黑;
优选地,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的一种或者多种的组合,优选为聚偏氟乙烯。
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