[发明专利]一种三维微纳复合结构的石墨化碳材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种三维微纳复合结构的石墨化碳材料、其制备方法及应用，属于能源材料技术领域。所述方法如下：首先室温条件下将铟盐、BTC和溶剂混合，搅拌和/或超声至固体溶解，然后经过水热处理得到前驱体，进一步碳化、酸洗等处理后得到三维微纳复合结构的石墨化碳材料，并将此多孔石墨化碳材料作为活性物质载体用于锂硫电池正极。本发明制备的具有球形结构的多孔石墨化碳材料是由一次纳米级空心颗粒组成的二次微米级碳球，碳球内部空隙多、孔容大、比表面积大、分散性好、稳定性高，石墨化碳材料的导电性好，将其作为活性物质硫的载体所制备的锂硫电池表现出较高的能量密度、优良的倍率和循环性能。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种三维微纳复合结构石墨化碳材料、其制备方法及应用，尤其涉及一种三维微纳复合结构的石墨化碳材料、其制备方法及在锂硫电池的应用。

背景技术

目前全球环境污染严重，不可再生能源日渐枯竭，所以我们迫切需要寻找绿色、可再生能源，缓解能源危机，减轻严重的温室效应。比如，我们现在用风能、太阳能、潮汐能来解决部分能源危机，但是这些受天气、地理位置影响因素比较大，具有不稳定性和不确定性。因此，这些能源的有效利用须有高效、经济的能源存储系统。在过去几十年里，锂离子二次电池发展迅速，金属锂在所有金属中最轻、氧化还原电位最低、质量能量密度最大。因此，锂离子二次电池成为了可替代能源之一，广泛地应用于航天航空、便携器件等领域。目前，锂离子电池正极材料主要采用镍钴锰、镍钴铝三元体系、尖晶石型锰酸锂、磷酸铁锂等，负极主要采用石墨。由于这些材料基于插入反应化合物，正极材料的比容量约为150mAh·g^-1～200mAh·g^-1，负极石墨的比容量约为370mAh·g^-1，限制了锂离子电池的容量和能量密度，即使优化技术，其能量密度最大可以提升百分之三十，远远无法满足电动汽车800km的续航能力。为了进一步开发高容量二次锂电池，人们开始关注和研究一些新型正极材料，如单质硫(S)和氧气(O₂)。

锂硫电池作为一种新型储能装置，其理论比容量高达1675mAh·g^-1，理论能量密度高达2600Wh·kg^-1，是锂离子二次电池的3-5倍，近年来引起人们的广泛关注。作为电池正极材料的硫元素储量丰富、价格低廉且对环境友好等。基于这些优点，锂硫电池已被广泛认为是最具发展前景的下一代高比能二次电池。尽管锂硫电池有诸多优点，但也存在一些问题：一是活性物质硫和其放电产物硫化锂导电性差；二是充放电中间产物多硫化物的“穿梭效应”将进一步导致活性物质的流失以及对锂负极的“腐蚀”；三是硫在充放电过程中体积变化较大。这些问题阻碍锂硫电池的进一步发展。

针对上述问题，研究人员进行了各种尝试。其中制备碳材料作为活性物质载体最为普遍。碳材料具有良好的导电性，其骨架可以起到固硫的效果，能一定程度上减少活性物质的损失，一般研究者通过硬模板合成单分散的碳颗粒，能量密度普遍偏低，且这种方法往往存在工艺流程复杂，耗能耗时，不利于规模化生产的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种三维微纳复合结构的石墨化碳材料、其制备方法及在锂硫电池的应用。本发明所述方法简单易操作，制备得到的碳材料比表面积高、孔隙率大、分散性好、结构稳定，用一次纳米中空颗粒的结构来储存活性物质硫，缓解体积膨胀，并起到物理固硫的作用，通过杂元素掺杂，起到化学固硫的作用。一次纳米颗粒自组装成微米级球体，这种三维结构有利于离子、电子和电解液的传输，并大大提高了能量密度，这种碳材料石墨化程度高，提高了载体的导电性。把此材料应用在锂硫电池正极材料上，改善了电池倍率性能，提高了锂硫电池的循环稳定性，在1C充放电200次循环后，容量保持率在79.9％以上。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种三维微纳复合结构的石墨化碳材料，所述石墨化碳材料为：一次纳米级颗粒自组装形成的二次微米级碳球。