[发明专利]一种金属-氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种金属‑氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用。本发明的金属‑氮掺杂多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：1)将可溶性锌盐、可溶性金属M盐(可溶性钴盐、可溶性铁盐、可溶性镍盐中的至少一种)、十六烷基三甲基溴化铵和2‑甲基咪唑分散在水中，进行配位反应，得到ZnM‑ZIFs；2)将ZnM‑ZIFs置于保护气氛中，进行烧结，即得金属‑氮掺杂多孔碳材料。本发明的金属‑氮掺杂多孔碳材料有利于多硫化物的吸附，可以减缓穿梭效应和加快硫与多硫化物之间的转化，且其制备方法简单、生产成本低，将其与升华硫复合制成正极材料后再组装成的钠硫电池具有优异的循环稳定性和倍率性能，适合进行大规模应用。

技术领域

本发明涉及电化学储能器件技术领域，具体涉及一种金属-氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，随着电动汽车快速发展，现有的能量储存系统已经难以满足日益增长的需求，迫切需要开发一种高能量密度、性能稳定、成本低廉的能量储存系统。锂硫电池具有较高的能量密度和功率密度，曾被认为是极具前景的下一代高能量密度储能器件。然而，由于锂资源在地壳中的含量相对较低，使得锂价格高昂，成本较高，制约其进一步发展和应用。钠和锂是同一主族的元素，两者具有诸多相似的物理化学性质，而钠在地壳中的储量是锂的400多倍，且价格更加低廉。因此，尝试用钠离子电池取代高昂的锂离子电池，逐渐成为科研工作者研究的焦点之一。

室温钠硫电池的理论比容量高达1675mAh/g，被视为极具开发潜力的下一代电池系统。然而，室温钠硫电池还存在以下技术难题待解决：1)硫及其产物的本征电子/离子绝缘，使得硫与多硫化物之间的转化迟缓，硫的利用率较低；2)高阶的多硫化物(Na₂S_x,4x8)易溶解于有机电解液中产生穿梭效应，进而会降低电池的库伦效率和循环稳定性；3)活性材料在循环过程中完全放电至Na₂S，产生的体积膨胀高达170％，会导致电池容量快速衰减。

因此，开发一种新的钠硫电池正极材料，减缓穿梭效应以及加快硫与多硫化物之间的转化，对于提高钠硫电池的电化学性能具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属-氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种金属-氮掺杂多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：

1)将可溶性锌盐、可溶性金属M盐、十六烷基三甲基溴化铵和2-甲基咪唑分散在水中，进行配位反应，得到ZnM-ZIFs；

2)将ZnM-ZIFs置于保护气氛中，进行烧结，即得金属-氮掺杂多孔碳材料；

步骤1)所述可溶性金属M盐为可溶性钴盐、可溶性铁盐、可溶性镍盐中的至少一种。

优选的，步骤1)所述可溶性锌盐、可溶性金属M盐的摩尔比为1:0.25～1:0.75。

优选的，步骤1)所述可溶性锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的至少一种。

优选的，步骤1)所述可溶性金属M盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴、硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的至少一种。

进一步优选的，步骤1)所述可溶性金属M盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴中的至少一种。

优选的，步骤2)所述保护气氛为氮气气氛、氩气气氛中的一种。

优选的，步骤2)所述烧结的具体操作为：以3℃/min～5℃/min的升温速率升温至800℃～1000℃，保温1h～3h。

一种钠硫电池正极材料，其组成包括上述金属-氮掺杂多孔碳材料和升华硫。

优选的，所述金属-氮掺杂多孔碳材料、升华硫的质量比为1:1.2～1:2.0。