[发明专利]一种氮掺杂有序介孔碳‑硫材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种氮掺杂有序介孔碳-硫材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会发展，人类对于能源的需求逐渐增大。然而随着对煤、石油、天然气等化石燃料资源近200年的持续加速开采，资源己逐步趋于耗竭。因此，能源问题和环境问题成为全球关注并迫切需要解决的问题。发展具有高能量、高密度、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。锂硫电池是二次电池体系中具有较高能量密度的一种，采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质，其理论能量密度达2600Wh/kg，且具有硫资源丰富、环境友好、价格便宜等优点。高硫含量的锂硫电池具有高的容量密度和能量密度有利于电动汽车的需求，能够实现克服锂离子电池能量密度不能满足电动汽车的技术问题。

活性碳是最早被用作与硫复合的多孔碳材料。早在2002年，Wang等就将熔融的硫用分布步热处理的方式渗入到活性碳的孔结构中（文献1：J Wang， L Liu， Z Ling， et al. Polymer lithium cells with sulfur composites as cathode materials[J]. Electrochimica Acta， 2003， 48: 1861-1867.），0.3 A cm^-1电流密度下，硫含量为30 wt%时，首次比容量为800 mAh g^-1， 25次循环后比容量保持在440 mAh g^-1，但当硫含量为60.9 wt%时，首次比容量只有180 mAh g^-1。该材料存在以下问题：（1）正极材料的载硫量较低；（2）：且当载硫量大于50%时比容量很低。

吴峰等采用优化工艺合成了高比表面积和多微孔结构的有序介孔碳（文献2：F Wu，S X Wu， R J Chen， et al. Electrochemical performance of sulfur composite materials for rechargeable lithium batteries [J]. Chinese Chemical Letters，2009， 20: 1255-1258.），通过加热的方法使单质硫升华并沉积到有序介孔碳微孔中，得到的碳硫复合材料含硫量49%，100mA g^-1，电流密度下，首次放电比容量高达1180.8 mAh g^-1，循环60周后比容量还保持在720.4 mAh g^-1。该材料存在的缺点是（1）：电流密度较低；（2）：且载硫量没有超过50%。

Song等采用溶胶凝胶法制备纳米Mg_0.6Ni_0.40颗粒作为硫正极的添加剂抑制多硫化物在电解液的溶解和促进氧化还原反应（文献3：Min-Sang Song， Sang-Cheol Han，Hyun-Seok Kim， Jin-Ho Kim， Ki-Tae Kim， Yong-Mook Kang， Hyo-Jun Ahn， S. X. Dou， Jai-Young Lee.Effects of nanosized adsorbing material on electrochemical properties of sulfur cathodes for Li/S second batteries. Journal of the Electrochemical Society. 2004， 151 (6) :A791-A795）。该材料存在的缺点是（1）：溶胶凝胶法中金属醇盐成本较高；（2）：自蔓延高温合成法存在反应过程不易控制等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂有序介孔碳-硫材料，解决锂硫电池存在的以下技术问题：

一、单质硫在室温下为电子和离子绝缘体的问题；

二、正极载硫量不超过50%的问题；

三、硫在电化学还原的中间产物多硫化物易溶解于有机电解液造成比容量及巨衰减的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：