[发明专利]一种多孔碳纳米片填充空心碳球的富氮材料的制备方法

说明书

一种多孔碳纳米片填充空心碳球的富氮材料的制备方法属于电化学能源领域，步骤为：1)以盐酸多巴胺为碳源包覆纳米碳酸钙；2)以硅酸四丁酯为硅源，CTAB为表面活性剂，在包覆纳米碳酸钙外面再包覆一层二氧化硅；3)在步骤2产品外再包覆一层聚多巴胺后，在800～900℃保持2小时碳化处理后进行刻蚀；4)将硫与上述材料研磨混合均匀，放入安瓿瓶中密封后，在真空烘箱中加热熔融灌注后既得S‑C复合材料。本发明与传统的空心碳球相比，填充碳纳米片的碳球具有较大的比表面积，增加物理固硫的效果；而且，该材料以多巴胺为碳源，较高的氮含量提高材料的化学固硫效果，同时高导电的碳材料中和了硫导电性差的问题。2)活化形成的微孔和介孔利于吸附多硫化物和电解液的渗透。

技术领域

本发明属于锂硫电池领域，涉及一种多孔碳纳米片填充空心碳球的富氮材料的制备方法，具体是以多巴胺为碳源、以纳米碳酸钙为模板和功能活化剂，制备多孔碳纳米片填充空心碳球的富氮材料，并用于锂硫电池正极。

背景技术

随着人们对能源危机，环境污染的关注，以及手机﹑电脑等便携式电子设备，电动汽车的发展，高能量密度的锂二次电池越来越成为人们研究的重点。与传统的锂离子电池相比，锂硫电池具有较高的理论比容量1675mAh/g和较高的理论比能量2600Wh/kg，且单质硫的储量丰富，价格低廉，环境友好无污染。因此锂硫电池成为人们研究的重点。

然而，锂硫电池也存在着很多制约其发展和推广的问题：(1)单质硫是由8个硫原子相连组成的冠状S₈分子，是电子和离子的绝缘体(5*10^-30S/cm)，因此，S₈作为电极活性物质材料时，活化难度大，利用率低。(2)放电反应的中间产物会大量溶解于电解质中，大量的聚硫化锂溶解并扩散于电解质中会导致正极活性物质的流失,从而降低电池的循环寿命。(3)在充放电过程中会产生约80％的体积膨胀，很可能会导致正极结构的坍塌等等。

针对以上问题，广大学者研究证明，正极材料的设计可以很好地解决以上三个问题。碳材料是以其优异的导电性，良好的可修饰调控性能以及骨架结构的稳定性，被广泛的应用于锂硫电池正极材料中。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种富氮的多孔碳纳米片填充空心碳球的锂硫电池正极材料。该材料以富氮的多巴胺为碳源，以纳米碳酸钙为模板和功能活化剂，纳米碳酸钙高温分解产生的CO2气体对内部碳层活化，生成多孔碳纳米片，提高了材料的比表面积，增加了物理固硫效果，且高含量的氮元素对多硫化物有较强的化学固硫效果，碳材料的优异导电性中和了硫的不导电性。二氧化硅的包覆将活化后的多孔纳米片封装在硅壳内，对材料结构的维持起到至关重要的作用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多孔碳纳米片填充空心碳球的富氮材料的制备方法，该富氮材料作为锂硫电池正极材料，制备方法包括以下步骤：

第一步：制备聚多巴胺包覆纳米碳酸钙微球A

将0.9～3g的纳米碳酸钙分散在10～20ml乙醇中，再加入140～280ml去离子水，超声20～30min后分别加入浓度均为2mg/mL的三羟甲基氨基甲烷(tris)和盐酸多巴胺，室温搅拌20～24h。离心，分别用去离子水、乙醇洗涤三遍，放置于烘箱中40～80℃干燥12h得到微球A。

所述的三羟甲基氨基甲烷与盐酸多巴胺的质量比为1:1；所述的盐酸多巴胺与碳酸钙的质量比为1:3～1:5。

第二步：制备二氧化硅包覆A的微球B