[发明专利]一种三维石墨化多孔碳材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种三维石墨化多孔碳材料及其制备方法和用途，所述三维石墨化多孔碳材料由二维碳材料层层堆积形成，其具有比表面积高、孔隙率大、石墨化程度高、导电性好、结构稳定的特点，将其作为锂硫电池正极材料的载体来储存活性物质硫，能明显缓解体积膨胀，并起到物理固硫的作用，所得锂硫电池正极材料表现出高的能量密度、优良的电化学性能，所述三维石墨化多孔碳材料的制备方法包括将铟盐、均苯三甲酸和N,N‑二甲基甲酰胺混合，得到混合溶液，搅拌，固液分离，得到所述In‑MOF材料；之后将得到的In‑MOF材料进行碳化、酸洗、活化，得到所述三维石墨化多孔碳材料，其制备方法简单易操作。

技术领域

本发明属于储能材料领域，涉及一种三维石墨化多孔碳材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的清洁能源，与传统的二次电池相比，其在电压、能量密度、电池寿命和环境友好等方面均具有巨大优势，在便携电子设备、医疗器械、汽车工业、航空航天等各种需要使用的电源领域应用十分广泛。与此同时，人们对高能量密度、高功率密度电池的需求越来越大，尤其是电动汽车领域。而当前主流锂电池正极材料的容量相对较低，如LiFePO₄和LiCoO₂理论比容量分别仅为170mAh/g和275mAh/g，这极大限制了当前锂离子电池的发展。其中理论比容量为1675mAh/g，理论能量密度高达2600Wh/kg的锂硫电池由于其自然界储量丰富，成本低廉，环境友好而越来越受到关注，是具有广阔前景的下一代高比能二次电池。

然而，在实际应用中，锂硫电池存在诸多问题亟待解决。第一，单质硫和其放电产物Li₂S导电性差，导致电池的化学反应动力学缓慢；其二，单质硫转化为放电产物Li₂S时体积发生严重膨胀，而如此大的体积变化过程使得硫易从集流体表面脱落，导致大面积的结构坍塌，最终使得电池循环稳定性差、循环寿命短；其三，放电中间产物多硫化物易于溶解、迁移导致严重的穿梭效应，降低了活性物质的利用率以及对锂负极的“腐蚀”。

为了克服这些问题，最普遍的策略是构筑硫-碳复合正极材料。但常见的粉体碳材料之间较低的界面连接性和导电性并不能保证电解液的有效浸润以及电子和离子的快速传输，从而限制其容量的发挥。

目前，常采用模板法制备二维碳纳米片，如CN110526228A中公开利用碱性锌盐和细粉状二氧化硅在水热条件下原位自组装形成类花瓣状纳米片模板，碳前驱体在模板表面脱水、聚合、碳化，再用HF溶液脱除原位自组装形成的模板，得到类花瓣状碳纳米片结构。此外，CN107161980A中公开采用氧化石墨烯作为模板，以葡萄糖等生物质材料为原料，通过水热反应得到褶皱碳纳米片，再与三价铁盐等石墨化催化剂共混，在氮气中800～1200℃煅烧3～5h，再经稀酸和蒸馏水清洗，除去催化剂杂质，获得的样品与ZnCl₂或KOH活化剂共混，转移至煅烧炉中600～900℃保温2～5h，最后用稀酸和蒸馏水清洗，除去活化剂杂质，获得多孔石墨化褶皱碳纳米片。但上述现有技术中采用模板法制备碳纳米片，其制备方法与工艺复杂，成本高，耗时长，不利于大规模生产。

因此，开发一种制备方法简单易操作，且作为锂硫电池正极材料的硫载体能明显改善其性能的碳材料的制备方法仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维石墨化多孔碳材料及其制备方法和用途，所述三维石墨化多孔碳材料由二维碳材料层层堆积形成，其具有比表面积高、孔隙率大、石墨化程度高、导电性好、结构稳定的特点，将其作为锂硫电池正极材料的载体来储存活性物质硫，能明显缓解体积膨胀，并起到物理固硫的作用，所得锂硫电池正极材料表现出高的能量密度、优良的电化学性能，所述三维石墨化多孔碳材料的制备方法包括将铟盐、均苯三甲酸和N,N-二甲基甲酰胺混合，得到混合溶液，搅拌，固液分离，得到所述In-MOF材料；之后将得到的In-MOF材料进行碳化、酸洗、活化，得到所述三维石墨化多孔碳材料，其制备方法简单易操作。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：