[发明专利]碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用，包括碳纳米球和单质硫，所述碳纳米球为瓣状的碳片组合成球形，碳片与碳片之间存在间隙，碳片为褶皱设置，碳片与碳片之间存在间隙，所述碳片上设有通孔，所述单质硫通过熔融渗透法与碳纳米球结合形成碳纳米球/硫复合材料，其中硫占复合材料的75‑84 wt%。碳纳米球中的间隙和通孔便于硫的熔融装载和电解液离子的扩散和离子输运，大比表面积的碳纳米球可负载更多硫活性物质和有效地抑制多硫化物的溶解，碳纳米球上掺杂氮元素提高碳材料的电活性和增强对硫的物理吸附作用，且该碳纳米球/硫复合材料可作为锂硫电池的正极，提高硫锂电池的容量、倍率性能、循环稳定性以及库仑效率。

主权项

1.一种碳纳米球/硫复合材料的制备方法，其特征在于：该碳纳米球/硫复合材料包括碳纳米球和单质硫，其特征在于：所述碳纳米球为瓣状的碳片组合成球形，碳片与碳片之间存在间隙，碳片为褶皱设置，所述单质硫通过熔融渗透法与碳纳米球结合形成碳纳米球/硫复合材料，其中硫占复合材料的75‑84wt％，所述碳纳米球的尺寸为150‑250nm，碳片的厚度为10‑20nm，所述碳片与碳片之间的间隙的宽度为0.8‑20nm，所述碳片上设有通孔，通孔的孔径为10‑50nm，且碳纳米球的比表面积为600‑1200m²g^‑1，孔容为1.4‑1.8cm³g^‑1；其方法具体步骤包括以下几步：(1)二氧化硅纳米球的合成取十六烷基溴代吡啶2g和尿素1.0g混合搅拌溶解在水中形成十六烷基溴代吡啶和尿素的混合液，环己烷和正戊醇按20:1的体积比混合形成环己烷和正戊醇的混合液，取原硅酸四乙酯5g溶解在环己烷和正戊醇的混合液中，再将十六烷基溴代吡啶和尿素的混合液与环己烷和正戊醇的混合液混合，室温下搅拌均匀，然后转移至反应釜中，在120℃下反应6h，完成以后依次经过冷却、过滤、洗涤获得浅黄色或白色固体，烘干之后，转移至马弗炉中焙烧，获得白色二氧化硅纳米球，二氧化硅纳米球的直径为150‑250nm；(2)以二氧化硅纳米球为模板制备氮掺杂碳纳米球取壳聚糖和上述(1)所制备的二氧化硅纳米球粉末按1:1‑4:1的质量比混合，搅拌溶于2％的乙酸溶液中，转移至聚四氟乙烯的水热反应釜中，加热至180℃并保持12h，完成后经过冷却、过滤，然后再用水和乙醇分别进行洗涤，接着干燥，干燥后的产物在700‑900℃的氩气氛围下焙烧2h获得黑色粉末，将获得的黑色粉末加入到20％的氢氟酸溶液中，经搅拌后过滤、烘干得到氮掺杂碳纳米球；(3)氮掺杂碳纳米球/硫复合材料的制备将(2)所制备的氮掺杂碳纳米球和单质硫按质量比1:3‑1:5进行混合，并密封在称量瓶中，加热至160℃，反应时间为10h，将反应后的混合物放置到氩气氛围下，再次加热至160℃，反应时间为5h，反应完成后冷却至室温，获得氮掺杂碳纳米球/硫复合材料。