[发明专利]碳载体、其制备方法及在锂‑硫电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种碳载体、其制备方法及在锂-硫电池中的应用。

背景技术

硫作为锂离子电池正极材料，具有比容量高(2600 Wh/kg)、价格低廉等优势，是高比能二次电池的一个重要发展方向。但是，在使用硫作为正极材料时，具有以下电导率低、多硫化物溶解、多硫化物穿梭等几个方面的问题。

这些问题导致锂-硫电池的容量衰减较快，库伦效率低下，倍率性能也较差。为了避免使用上述问题，提高锂-硫电池的使用性能，现有使用各种复合硫电极的碳载体，例如石墨稀、碳纳米管、介孔碳或者其它导电聚合物等。

但碳材料和硫之间的界面结合力较弱。对于碳材料而言，其表面由非极性的sp2杂化碳构成，同具有极性键的多硫化物润湿性较差，这是引起循环过程中多硫化物从电极脱落的根本原因。

针对上述问题，有一些碳载体中具有孔结构，来提高碳中硫的载量，但微孔结构提高硫载量主要源于其物理限域（可以有效的限制硫的扩散），但并不能从根本上提高硫-碳的界面结合力。

另外，也有一些对碳材料进行进行化学修饰以改善碳载体的同硫的相互作用，增强碳-硫结合力的技术方案。如何提供一种使用性能较佳的碳载体，仍是值得研究的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种碳载体、其制备方法及在锂-硫电池中的应用，旨在解决硫元素在循环过程中从碳载体脱落的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种碳载体，其中，所述碳载体由卷曲结构薄层碳组成；所述碳载体的碳层具有完整的联通结构，所述碳层内部具有掺杂氮元素和/或硫元素的多孔结构。

所述的碳载体，其中，所述碳层厚度为1-100层石墨烯厚度。

所述的碳载体，其中，所述硫元素掺杂在所述薄层碳的石墨晶格边缘；所述氮元素掺杂在所述薄层碳的石墨晶格内部。

所述的碳载体，其中，所述硫元素以噻吩硫的形式掺杂。

一种上所述的碳载体的制备方法，其中，包括：

A、将碳源与氮源按照预定比例混合后，在水中搅拌溶解；

B、向步骤A中获得的溶液加入无机酸，生成沉淀物；

C、收集所述步骤B中获得的沉淀物，在惰性气体保护下进行两步焙烧，制备所述碳载体。

所述的方法，其中，所述两步焙烧的第一步焙烧温度为400-600℃；第二步焙烧温度为700-1200℃。

所述的方法，其中，所述碳源为生物质碳源，包括葡萄糖、季戊四醇或者木质素。

所述的方法，其中，所述氮源为三聚氰胺、尿素或腈胺。

所述的方法，其中，所述无机酸为硫酸。

一种如上所述的碳载体在锂-硫电池中的应用。

有益效果：本发明提供的一种碳载体、其制备方法及在锂-硫电池中的应用中，该碳载体的氮、硫以及边缘碳改变了碳的电子结构，使其具有一定的极性特征，可以有效改善碳对硫的吸附特性。这样的，当其应用于锂-硫电池的正极材料使用时，在高载硫量的情况下，可以保持电池的循环性能和倍率性能。另外，该碳材料可以通过生物质制备，整个制备方法简单并易于放大。

附图说明

图1为本发明具体实施例的制备方法的方法流程图；

图2为本发明具体实施例的碳载体样品的低倍扫描电镜照片；

图3为本发明具体实施例的碳载体样品的高倍扫描电镜照片；

图4为本发明具体实施例的碳载体样品的扫描透射电子显微镜照片；

图5为本发明具体实施例的碳载体样品的高分辨透射电子显微镜照片；

图6为本发明具体实施例的碳载体样品的拉曼光谱图谱；

图7为本发明具体实施例的碳载体样品的扫描透射电子显微图；

图8为本发明具体实施例的碳载体样品的碳的分布图；

图9为本发明具体实施例的碳载体样品的氧的分布图；

图10为本发明具体实施例的碳载体样品的硫的分布图；

图11为本发明具体实施例的碳载体样品的氮的分布图；

图12为本发明具体实施例的碳载体样品的x-射线光电子能谱图；

图13为本发明具体实施例的碳载体样品的硫元素的精细图谱；

图14为本发明具体实施例的碳载体样品的氮元素的精细图谱。

具体实施方式