[发明专利]一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用

说明书

本发明提供了一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用，与现有技术相比，本发明提供的碳硒复合材料制备方法中，二维碳材料不仅原料来源广泛简单易得，制备方法简单，实用化程度较高，且得到的碳硒复合材料表现出优异的电化学性能。本发明采用一步水热反应制备二维碳材料，所述二维碳材料含有丰富的微介孔结构，且其具有较高的石墨化程度，将此二维碳材料与硒进行低温复合和活化，得到碳硒复合材料，所述碳硒复合材料中单质硒均匀负载于二维碳材料表面的微介孔中，负载率高达80％；以此碳硒复合材料作为正极材料组装得到电化学稳定的锂硒电池。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种碳硒复合材料及其制备方法和在锂硒电池中的应用。

背景技术

随着新型可再生能源的持续开发，使得能源储存的需求日益增加，因此发展具有高能量密度，长寿命和安全性的电化学储能系统将是下一代高效储能装置发展的重要方向之一。锂硒电池因其高的积能量密度(3254Wh·L^-1)而备受关注。但对于追求快速充放电的电化学储能器件而言，提高锂硒电池正极材料的导电能力至关重要。目前，常用的方法是在导电碳材料上负载活性物质硒。

例如中国专利文献CN104393304A公开了一种在饱和石墨烯分散液中通入硒化氢气体，通过溶剂热将氧化石墨烯还原成石墨烯的同时将硒化氢气体氧化成硒；中国专利文献CN107204437A公开了一种在硒化物外包覆一层含碳化合物通过高温碳化后，再引入氧化性物质使其氧化成单质硒，但是由于高温碳化过程中硒无法完全被碳材料包覆，导致材料在充放电过程中硒存在溶出的问题。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明针对当前锂硒电池正极材料中原材料来源有限且制备方法苛刻等问题，发展了一种温和且更容易实现的高硒负载量的制备方法。

本发明的第一方面是提供一种碳硒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将生物材料和无机盐或碱混合，高温碳化，得到二维碳材料；

(2)将步骤(1)的二维碳材料与硒的有机溶液混合，加热至有机溶剂挥发后，进行加热处理，制备得到所述碳硒复合材料。

根据本发明，其中，步骤(1)中，所述的生物材料选自可溶性淀粉、魔芋粉、玉米叶、槟榔、松子壳、核桃壳、竹子、甘蔗渣中的一种或两种以上，所述的无机盐选自草酸钾、柠檬酸钾、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钙中的一种或者两种以上，所述的碱选自氨水、尿素、三聚氰胺中的一种或者两种以上。

根据本发明，其中，步骤(1)中，所述的生物材料和无机盐或碱的质量比为1:20-1:1。

根据本发明，其中，步骤(1)中，所述的高温碳化是在600-1000℃进行，优选750-900℃；所述的高温碳化的时间为1-10h，优选3-6h。

根据本发明，其中，步骤(1)中，还包括对高温碳化后的产物进行稀盐酸清洗、干燥，制备得到二维碳材料，优选为二维碳纳米材料。

根据本发明，其中，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液中的溶剂选自丙酮、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种以上；所述的硒选自硒单质。

根据本发明，其中，步骤(2)中，所述的硒的有机溶液的浓度为0.5-3mol/L，如1mol/L。

根据本发明，其中，步骤(2)中，二维碳材料与硒的质量比为(10-50)：(50-90)，如40:60。

根据本发明，其中，步骤(2)中，所述的加热处理过程是指以2-10℃/min，优选4-8℃/min升温到200-350℃，优选240-300℃，恒温5-30h，优选10-20h。