[发明专利]一种含氮大孔容多孔碳材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种含氮大孔容多孔碳材料的制备方法及应用，属于功能材料中杂原子改性多孔碳材料的制备及锂硫电池正极材料制备技术领域。本发明具体为一种以生物质凝胶为碳源，采用冰及二氧化硅双模板法，通过高温热解制备含氮大孔容多孔碳材料，并制备高硫含量硫碳复合材料正极的方法。本发明所制备的多孔碳具有氮氧改性的表面化学性质，具有大的中孔孔容积；以其为载体，制备的碳硫正极材料中硫的质量百分含量高达80％。将制备的碳硫复合正极材料用于锂硫电池，具有较好的电化学性能。

技术领域

本发明属于功能材料中杂原子改性多孔碳材料的制备及锂硫电池正极材料制备技术领域，特别涉及一种含氮大孔容多孔碳材料的制备方法及应用。

背景技术

当今社会中，电池设备已经成为日常生活中不可或缺的重要角色。在迅速发展便携式电子器件和电动车技术的推动下，电池技术也得到迅猛发展。在众多电池体系中，锂硫电池有较高的理论比容量(1675mAh/g)和理论能量密度(2600Wh/kg)，未来有可能满足新的电池储能系统(如便携式电子设备，电动车，电化学储能站)的应用要求，并且原料储量丰富，廉价，环境友好，因而得到广泛的关注和研究。

多孔碳材料具有发达的比表面积和较大的孔容积，同时具有良好的电子导电性，在锂硫电池正极材料中，不仅充当电子导体，而且能够通过孔的吸附作用，缓解多硫化物向负极扩散，能够有效地保持电池容量。

生物质是一种可再生的来源广泛廉价的碳前驱体，具有种类繁多，可再生等特点。生物质胶是一种以动物皮、骨、筋或磷为原料制备而成的大分子蛋白质,是一种常见的天然生物高分子材料，含有多种含氧、含氮官能团等特点。以生物质胶为前驱体制备多孔碳时，可以通过使用硬模板为模板，调控碳的孔结构。但是单一的硬模板难以实现制备具有超大孔容和丰富大孔结构的多孔碳，进而难以实现高硫含量碳硫复合材料的制备。

发明内容

为了解决上述问题，我们采用生物质胶为前驱体，利用氧化硅为硬模板，采用冷冻原位生成冰软模板的方法，制备出的碳材料不仅比表面大，而且具有较大的孔容，在锂硫电池正极材料中可以提供有效的空间，以制备高硫含量的复合材料，并在充放电过程中为硫的体积膨胀提供空间。

本发明的目的在于提供一种制备含氮大孔容多孔碳材料及锂硫电池正极材料的方法，该方法以生物质胶为前驱体，以二氧化硅和冰为模板，通过高温热解，制备含氮大孔容多孔碳材料的方法，并制备高硫含量锂硫电池正极材料。

本发明的目的在于提供一种含氮大孔容多孔碳材料的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)生物质胶-SiO2溶胶制备过程：将生物质胶的水溶液与二氧化硅溶液以一定质量百分比混合均匀，水浴加热并磁力搅拌，得溶胶体系。

(2)冰模板制备过程：将混合均匀的溶胶体系预冷冻，得双模板体系；之后进行冷冻干燥。

(3)碳化过程：将干燥后的前驱体置于管式炉中，在氩气气氛中，热解碳化，得碳材料；

(4)除氧化硅过程：将所得碳氧化硅复合材料，置于碱溶液中，浸泡除氧化硅，然后用去离子水洗至中性。

(5)干燥和后处理：将步骤4)中所得材料进行鼓风干燥，随后将干燥后的材料进行研磨，得含氮大孔容多孔碳材料。

所述步骤(1)中，使用了生物质胶为原料，利用冰与二氧化硅双模板法制备含氮大孔容多孔碳。所用生物质胶为明胶或卡拉胶或果胶及其混合物，所用二氧化硅溶液中二氧化硅的颗粒尺寸为18～100nm，生物质胶浓度为1wt％～20wt％，优选2wt％～10wt％；二氧化硅与生物质质量比与为0～10，优选0～5，水浴温度为30℃～100℃，优选50℃～70℃；水浴时间为12～48h，优选24～36h。

所述步骤(2)中，制备冰模板时温度为-10℃～-40℃，时间为2～5h，通过冷冻干燥方式去除冰模板，干燥温度为-20℃～-50℃,时间为24h～48h。