[发明专利]一种氮掺杂纳米带状多孔碳的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂纳米带状多孔碳的制备方法，该制备方法包括以下步骤：聚苯胺与纳米带状酚醛树脂基聚合物原位复合，氮掺杂纳米带状多孔碳的制备，氮掺杂纳米带状多孔碳与单质硫复合，将氮掺杂纳米带状多孔碳与单质硫按照质量比为2:3混合，加入无水乙醇研磨均匀，再加入四氯化碳以促进单质硫的溶解，待其自然干燥后放置于烘箱中保温，得到氮掺杂纳米带状多孔碳与硫的复合材料。本发明在通过一步法碳化和活化后，氮掺杂多孔碳能有效的促进碳上含氧官能团与多硫化锂之间的化学吸附作用，该多孔碳材料负载硫后制作的锂硫电池展示出优异的循环稳定性。

技术领域

本发明属于新能源材料和电化学领域，具体涉及一种氮掺杂纳米带状多孔碳的制备方法。

背景技术

信息化时代是世界经济蓬勃发展的时代，是科学力量大力增强的时期。随着微电子技术的迅猛发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、快速充电、无记忆效应、重量轻、绿色环保等优点。因此锂电池随之进入了大规模的实用阶段。其中，锂硫电池以其理论能量密度高(2600Wh/kg)、成本低、安全性好等优点，被认为是非常有前景的锂电池。但是，现阶段锂硫电池尚处于科研阶段，是因为锂硫电池还存在三个主要问题：第一，单质硫的导电性差，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；第二，锂多硫化合物(Li₂S₂、Li₂S_6和Li₂S₄)易溶于电解液，产生穿梭效应，易破坏电解质界面膜(SEI膜)；第三，硫在充放电过程中，有高达79％的体积膨胀/收缩，有可能导致电池损坏，近十年来，为了改善锂硫电池的问题，研究人员对复合阴极材料的改性进行了大量研究，其中最重要的多孔碳因其高导电性，高比表面积，高孔隙率，高化学和机械稳定性以及易于制备而受到极大的关注和研究。根据其结构，多孔碳分为一维材料(如碳纳米管)，二维材料(如石墨烯)和三维材料(如空心碳球)。在各种多孔碳中，多级孔碳材料在锂硫电池中得到了更广泛的研究，因为它们具有特殊的孔径分布，同时存在微孔(<2nm)，中孔(2-50nm)和大孔(>50nm)。因此，多级孔碳材料在锂硫电池中显示出多级孔的协同效应，这表现为微孔提供用于限制多硫化物的锚定点，中孔含有元素硫，并且大孔确保优异的电解质浸渍。微、介孔的物理吸附特性可有效提高锂硫电池的循环稳定性。

同时，开发具有化学吸附硫或硫化锂(Li₂S)能力的新型功能性碳材料是特别有吸引力的，化学吸附作用可以使硫和Li₂S在碳上均匀分布，促进良好的电接触，并且可以通过防止溶解有效地将多硫化物限制在正极中，从而可以有效地提高锂硫电池的循环稳定性。

而传统的锂硫电池循环稳定性不理想，为此我们提出一种氮掺杂纳米带状多孔碳的制备方法。

发明内容

本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂纳米带状多孔碳的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、聚苯胺与纳米带状酚醛树脂基聚合物原位复合，将聚苯胺的单体苯胺加入到200mL柠檬酸溶液中搅拌溶解，再加入纳米带状酚醛树脂基聚合物，搅拌或超声使其分散均匀，然后放置于0℃环境中冷冻30分钟，随后加入配置好的40mL过硫酸铵溶液，磁力搅拌后过滤干燥，得到聚苯胺与纳米带状酚醛树脂基聚合物的复合物，最后得到的复合聚合物中，聚苯胺与纳米带状酚醛树脂基聚合物的质量比在1:2-1:5之间。

步骤二、氮掺杂纳米带状多孔碳的制备，将上述聚苯胺与纳米带状酚醛树脂基聚合物的复合物在氩气气氛下加热，然后通入CO₂保温40分钟，形成氮掺杂纳米带状多孔碳。