[发明专利]一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电极极片技术领域，尤其涉及一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料及其制备方法，采用高温水热熔盐法在碳材料的表面制备了C‑S‑S‑C键，利用C‑S‑S‑C键接近90°的键角产生的向外的拉伸应力，扩大了碳的亚表面层距离，制得了一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料，在提高碳材料的电容贡献的同时不会对碳材料的初始库伦效率和电导率产生影响，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于电极极片技术领域，尤其涉及一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料因其高导电性，灵活的体相结构以及低成本的特点，已经被广泛用于钾离子电池的负极主体材料中。碳负极材料在充放电过程中实现钾离子存储的方式主要有两种：即高电压区域电容控制的吸附过程(电容贡献)和低电压区域扩散控制的嵌入过程(扩散贡献)；电容贡献能在提供额外的钾存储位点的同时保证确保钾离子在高电流密度下的快速传递，对于提高容量和全电池系统的功率密度有重要意义。

目前提高碳材料电容贡献率的主要策略是增加碳材料的比表面积，利用碳材料比表面积的增加来扩大电解液离子和电极活性材料的有效接触面积；或是通过提高杂原子的掺杂浓度来增加结构缺陷。不过，这两种策略均存在一定的缺陷，比表面积的增加会到来过多的电解液消耗，用以生成过多的固体电解质界面层(SEI)，从而造成低的初始库伦效率；杂原子掺杂浓度的提高会破坏碳结构的共轭Π体系，不利于快速的电子电导，对电导率造成影响。怎样在提高碳材料的电容贡献率的同时保证碳材料的初始库伦效率和电导率不受影响，一直是研究人员的一个重点研究方向。

发明内容

针对现有技术中碳材料电容贡献率的提升策略会降低碳材料初始库伦效率和电导率的技术问题，本发明提供一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料及其制备方法，采用一种全新的工艺制备出了一种具有扩大的可及亚表面层的碳材料，该碳材料具有更高的电容贡献率同时不会对材料的初始库伦效率和电导率产生影响。

该碳材料的制备方法具体包括以下步骤：

S1：将碳源在水中溶解得到碳源溶液；将异丙醇溶解在DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂中后加入硫源，混合均匀后得到硫源溶液，将所述碳源溶液和所述硫源溶液混合均匀得到反应溶液，其中碳源和硫源的质量比为1～5：10～30；

S2：将S1所得的反应溶液在160～180℃保温5～7h，分离所得固体物质，洗涤干燥后得到中间产物；

S3：将S2所得的中间产物在惰性气氛下匀速升温至500～1000℃，恒温发生热解反应后自然冷却降至室温，即得具有扩大的可及亚表面层碳材料。

相对于现有技术，本发明公开的具有扩大的可及亚表面层碳材料采用高温水热熔盐法制备，其中异丙醇作为媒介能降低碳原子的形核驱动力，使得一定数量的碳原子结晶析出，确保了硫源与碳源的充分接触，提高两者间的表面扩散程度，接触后的碳源和硫源在500～1000℃的环境中热解并反应，逐渐形成C-S-S-C键，生成的C-S-S-C键具有接近90°的键角，可以产生的强烈的拉伸应力使碳材料的表面层向外拓展；高温下碳源的分解过程会削弱亚表面层碳原子之间的范德华力，这种范德华力的削弱效应能与C-S-S-C键键角的拉伸应力作用产生协同作用，共同促进亚表面层间距的进一步拓展。整个制备工艺安全可靠，简单易操作，能最大程度地生成C-S-S-C键，获得具有扩大的可及亚表面层结构的碳材料，所得碳材料在提高电容贡献率的同时不会对碳材料的ICE和电导率产生影响。

优选地，碳源为聚丙烯腈、三聚氰胺、蔗糖、葡萄糖和多巴胺中的至少一种。

优选地，硫源为硫代乙酰胺、硫脲和二甲基亚砜中的至少一种。

优选地，每0.1～0.5克碳源对应异丙醇的体积用量为10～30ml。

优选地，异丙醇和DMF的体积比为1～3：3～6。