[发明专利]基于酸角壳的多孔碳-硫复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种基于酸角壳的多孔碳‑硫复合材料及其制备方法和用途，包括步骤：1、将酸角壳放入强碱溶液中浸泡，强酸溶液洗成中性，烘箱中干燥，粉碎；2、将酸角粉末平铺于刚玉坩埚中，放入管式炉中，升温保温，随炉自然冷却至室温，得到预处理后的酸角壳碳；3、将酸角壳碳加入活化剂溶液中，搅拌活化，然后置于烘箱中干燥；由室温升温保温，使其完全碳化，随炉自然冷却至室温；4、将产物放入强酸溶液中，使其成中性；干燥得到多孔碳；5、将多孔碳与硫粉混合均匀，升温保温，随炉自然冷却至室温，取出，得到所述多孔碳‑硫复合材料；本发明得到的复合材料作为正极材料应用于锂硫电池中，有效提高了电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料和锂硫电池正极材料制备技术领域，具体涉及到一种基于酸角壳的多孔碳-硫复合材料的制备方法以及在锂硫电池正极材料中的应用。

背景技术

随着社会进步和科技发展，人们对能源的需求量日益增加，传统化石燃料如煤、石油和天然气等不可再生能源日益枯竭，研发和利用可再生的清洁能源越来越受到大家的关注。其中，太阳能、潮汐能、风能、地热能以及核能等新能源都在广泛的开发和利用，但是如何有效的存储和转化这些能量以及实现环境友好和安全高效是亟待解决的问题。锂硫电池具有价格低廉、环境友好、硫储量丰富等优点，且理论比容量高(1675mAh/g)，能量密度高(2600Wh/kg)，被公认为是未来锂离子电池最理想的替代品。但是，目前锂硫电池仍然存在很多急需解决的问题：1)由于中间产物多硫化锂的存在，会产生穿梭效应，使得库伦效率低、自放电高；2)充放电过程中，结构变化和体积膨胀会产生锂枝晶刺破隔膜；3)硫的导电性很差，增加了电池的内部阻力，使得循环能力和倍率性能较低。

目前，为了解决上述问题，通常采用的方法是：通过多孔碳阻挡并吸附多硫离子，减少其溶解流失；氮掺杂；以及使用催化剂来抑制穿梭效应，实现有效“固硫”。其中，基于生物质的多孔碳材料具有材料易获得、成本低、环境友好等优点，已收到越来越多的关注。基于生物质的多孔碳，如香蕉皮、板栗壳、竹笋壳等得到的多孔碳已被报道应用于锂离子电池、钠离子电池和超级电容器中。然而，上述基于生物质的多孔碳应用于锂离子电池中时，仍然存在循环性能差、首圈容量较低等问题，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于酸角壳的多孔碳-硫复合材料及其制备方法及用于锂硫电池正极材料的用途。本发明采用酸角壳作为生物质来源，通过一系列活化反应，制备出了多孔碳材料，然后通过与硫复合得到一种碳硫复合材料，具有良好的“固硫”作用，有效提高了锂硫电池的充放电容量、循环稳定性和库伦效率，具有很好的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种基于酸角壳的多孔碳-硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将酸角壳放入1～3mol/L的强碱溶液中浸泡12～24h，然后用与强碱溶液等浓度的强酸溶液洗成中性，除去酸角壳表面的杂质；将清洗干净的酸角壳放入50～100℃的烘箱中干燥12～24h，除去水分，然后采用行星式球磨机粉碎至毫米级别，待用；

步骤2、将步骤1得到的酸角粉末平铺于刚玉坩埚中，然后放入管式炉中，在惰性气体气氛下由室温升温至300～600℃，保温1～3h，煅烧完成后，随炉自然冷却至室温，取出，得到预处理后的酸角壳碳；

步骤3、将步骤2得到的酸角壳碳加入1～5mol/L的活化剂溶液中，搅拌活化8～12h，得到的反应液倒入刚玉坩埚中，然后置于烘箱中80～150℃下干燥3～12h，以去除其中的水分；干燥后的产物置于管式炉内，在惰性气体气氛下由室温升温至500～1000℃，保温1～5h，使其完全碳化，完成后，随炉自然冷却至室温，取出；

步骤4、将步骤3得到的产物放入与步骤1中强碱溶液等浓度的强酸溶液中，使其成中性；待完成后，在真空烘箱中干燥，得到多孔碳；