[发明专利]一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料的制备方法及锂硫电池

说明书

本发明属于电极材料技术领域，公开了一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳/硫复合碳棒材料的制备方法，包括如下步骤：S1.制备有序纳米阵列前驱体碳棒；S2.制备有序纳米碳棒阵列；S3.制备有序纳米阵列氮硫双掺杂碳/硫复合碳棒材料；将这种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳/硫复合碳棒材料用于锂/硫离子电池正极材料。本发明的碳/硫复合碳棒材料制成的锂/硫离子电池正极材料比常规碳材料具有更优良的形貌及性能，用作锂硫电池正极材料时，具有高的首次放电比容量，容量保持率佳，而且制备方法简单易行、成本低、绿色环保，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，更具体地，涉及一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料的制备方法及锂硫电池。

背景技术

能源问题和环境问题是当今社会面临的两个重大课题。能源不仅是人们赖以生存的基础，也是影响当代经济的一个重要因素。长期以来，石油、煤炭、天然气被作为最主要的能源来源，它们的过度使用使得能源结构不合理，造成了严重的环境污染，影响了地球的生态环境。特别是二氧化碳的排放，引起的温室效应导致全球变暖，由此也引发了一系列的气候变化。此外，化石燃料的储量是有限的，特别是石油的储量的急剧减少，近些年引发了一系列的价格战和各国之间的利益纠纷。预计到2050年，全球能源需求将会达到当前使用化石燃料的两倍以上。因此，开发无污染的“绿色”能源储存系统来替换当前使用石油为基础的燃料来满足今天的能源需求是一个亟待解决的问题。在诸多储能方式中，锂离子电池以质量轻、容量高和无记忆效应等优点，在当今储能工业占据核心地位。

锂离子电池使用石墨材料作为负极，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极，利用锂离子在正负极之间的“摇椅效应”来贡献容量，目前现有的二次锂离子电池自身理论比容量将近300mAh/g，即便如此也难以达到人们所需的二次电池的要求，同时燃料电池在短时间内还较难实用化，因而具有2600Wh/kg理论比能量的锂硫电池成为目前的研究发展对象。

锂硫电池以单质硫作为正极，金属锂作为负极，其中单质硫的理论比容量就达到1680mAh/g，且单质硫价格低廉、资源丰富，对环境友好，在一定程度上可以替代锂离子电池，但是锂硫电池的实际比容量远远小于理论比容量，因此限制了它大规模的运用。造成这个现象的主要原因是锂硫电池在充放电循环的过程中，聚硫化物易溶于电解液中，在循环终止时，并没有全部转化成最终产物，造成了有效物质的损失，同时由于聚硫化物的溶解造成的“飞梭效应”，使得锂硫电池的容量大幅度降低。因此发明出能改善锂硫电池“飞梭效应”的正极材料十分迫切。

由于单质硫作为正极材料的一系列不足，科研人员利用碳材料与单质硫复合作为正极活性物质的研究最为普遍。碳材料具有良好的导电性，其结构也能对多硫化物的迁移扩散起到抑制作用。近几年常用来作为科研对象的碳材料有：乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、空心碳，多孔碳等，这些材料都在不同程度上改善和提高了锂硫电池的放电容量和循环效率。其中，分层多级孔碳、碳管具有更大内部空间，可以容纳多单质硫和电解液，将充放电反应抑制在内腔中，使得聚硫化物难以脱离碳壳，从而增加了正极活性物质的含量。

发明内容

针对现有技术中电极材料存在的不足，本发明的目的在于提供一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料。

本发明的再一目的在于提供一种以有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料为正极材料的锂硫电池。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种有序纳米阵列氮硫双掺杂碳硫复合碳棒材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将生物质前驱体与氢氧化钾按比例混合，加入溶剂中，充分反应后，取出样品，过滤干燥，得到有序纳米阵列前驱体碳棒；

S2.将步骤S1得到的有序纳米阵列前驱体碳棒在惰性气体氛围下进行炭化处理，得到有序纳米碳棒阵列；