[发明专利]一种硫掺杂富氮碳材料的制备方法、电极及其在钠/钾离子电池中的应用

说明书

本发明涉及一种硫掺杂富氮碳材料的制备方法、电极及其在钠/钾离子电池中的应用，该硫掺杂富氮碳材料分别以聚丙烯酸‑丙烯酰胺钾盐为碳和氮前驱体、五水合硫代硫酸钠为硫掺杂剂，通过预处理‑碳化法制备得到，制备方法简单易操作。本发明制备的硫掺杂富氮碳材料具有较高的硫和氮掺杂量、连通的孔道和较低的比表面积。引入的氮、氧原子可以提高材料的导电性和提供额外的赝电容，硫原子与钠离子和钾离子发生可逆反应，来提供额外的储钠和储钾容量。将该材料应用于钠离子电池和钾离子电池，展现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种硫掺杂富氮碳材料的制备方法、电极及其用途。

背景技术

随着可再生能源、电动汽车和智能电网的广泛应用，大规模的储能系统对这些设备的发展起到了关键的推动作用。锂离子电池作为目前应用最广泛的商用储能设备，由于其资源有限、成本较高等问题，限制了大规模应用。近年来，钠离子电池和钾离子电池因其相对丰富的资源和较低的成本，被认为是替代传统锂电池最有前景的大规模储能设备。然而，由于钾离子半径（138 pm）和钠离子半径（102 pm）远大于锂离子半径（76 pm），一些用于锂离子电池的传统负极材料，如石墨，不能用于钠离子电池和钾离子电池。如此大的离子尺寸会导致钠/钾离子嵌入/脱出过程中体积膨胀过大，从而导致容量不足，循环稳定性不理想，因此，制备适用于钠离子电池和钾离子电池的负极材料仍然是一个主要的挑战。

金属氧（硫）化物是目前应用比较广泛的电极材料，但由于自身导电性较差、体积变化大继而引起倍率性能和循环过程差等缺点，大大限制了它的应用。石墨，作为锂离子电池中常用的电极材料，由于其层间距较小，阻碍了其在钠离子电池和钾离子电池中的应用。碳纳米管、石墨烯等材料，由于其容量较低，制备过程繁琐，价格昂贵，难以获得实际应用。以氢氧化钾为活化剂，聚丙烯酸-丙烯酰胺钾盐碳化活化后得到的碳材料表现出较大的比表面积和丰富的孔结构，但由于其自引入的异质原子掺杂量有限，限制了其在钠离子电池和钾离子电池中的应用。

发明内容

针对以上的技术缺点，本发明是通过预处理-碳化方法，获得了一种新型的硫掺杂富氮碳材料，通过硫掺杂来调节材料的孔结构，并且引入的硫元素通过与钠离子和钾离子的可逆反应来提供额外的容量，解决了普通碳材料容量低的缺点。以聚丙烯酸-丙烯酰胺钾盐为碳前驱体，成功自引入了氮、氧元素，氮、氧的存在有利于引入缺陷、增强润湿性、提高导电性，并提供额外的赝电容。以五水合硫代硫酸钠为硫掺杂剂成功引入了硫元素，硫元素通过与钠离子和钾离子的可逆反应来提供额外的容量，提高储钠和储钾性能。此外，氮、氧、硫元素通过协同作用来提高碳材料的整体性能，进一步提高电化学性能。

在碳骨架中进行异质原子的掺杂主要有两种途径，其一是直接热解富含异质原子的碳前驱体，另一种是对碳的前驱体进行预处理，再碳化。本发明采用的聚丙烯酸丙烯酰胺钾盐含有丰富的亲水基团（-CONH2，-COOH和-COOK），具有良好的吸水性和保水性，同时也是实现氮、氧自掺杂的有效原材料，是理想的碳前驱体。此外，其较好的吸水性和保水性还可以通过吸附异质离子溶液，来实现对碳前驱体的简单预处理，实现外来异质元素的引入。本发明是利用五水合硫代硫酸钠与稀盐酸的反应，将单质硫引入碳前驱体聚丙烯酸-丙烯酰胺钾盐中，通过低温预烧、高温碳化、酸洗干燥获得了硫掺杂富氮碳材料，该材料具有较高的氮和硫掺杂量、低的比表面积以及连通的孔结构。基于上述优点，这种硫掺杂富氮碳材料用作钠离子电池和钾离子电池的负极，展现出了高的比容量，优异的倍率性能和循环稳定性。