[发明专利]一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料及其制备方法和应用，属于材料技术领域，该材料制备方法如下：将三聚氰胺和L‑半胱氨酸混合球磨制得前驱体，将所述前驱体在惰性气氛中碳化后冷却至室温，制得氮掺杂类石墨烯活性碳材料，在制备过程中通过合理调控三聚氰胺和L‑半胱氨酸的质量比，可以得到比表面积大、特定孔体积和化学键组成的氮掺杂类石墨烯活性碳材料。基于该材料的锂硫电池具有长的循环稳定性能，优异的倍率性能以及高的充放电可逆比容量。该材料制备工艺简单、易操作、成本低，适合工业化生产，具有很大的商业化前景。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于具有超高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600 Wh/kg)，锂硫电池被认为是最具有发展潜力的新一代能源储存系统之一。此外，锂硫电池中活性物质硫还具有来源丰富，价格低廉和对环境友好等优点。然而，仍存在一系列问题严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。首先，活性物质硫以及电池的放电产物Li₂S导电性差会导致对硫的利用率低，降低反应过程动力学。其次，充放电过程的中间产物多硫化物在电解液中具有很高的溶解性，导致多硫化物在充放电过程中在电池的正负极之间来回穿梭，造成“穿梭效应”，这不仅会降低电池的库伦效率，当多硫化物穿梭到负极还会与金属锂反应，影响负极的反应活性。为此，人们想了很多办法来克服这些难题，例如：对金属锂负极进行保护，对隔膜进行修饰，在电解液中加入添加剂等。除此之外，人们将大量的工作集中在正极材料的制备中。将硫负载到不同的正极材料中被认为能最有效的减缓穿梭效应，提升电池性能表现。

近年来，碳材料因为具有优异的导电性，良好的机械延展性、丰富的孔结构以及比表面积可调等特点受到了广泛关注。虽然碳材料与多硫化物之间的物理作用较弱，纯的碳材料并不能够抑制穿梭效应的发生，目前使用最多的载体材料仍然是具有纳米结构的碳材料，不过，可以通过增加比表面积、控制孔结构、将杂原子引入碳骨架中等方式来有效提升碳材料与多硫化物之间的相互作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料的制备方法；目的之二在于提供一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料；目的之三在于提供该氮掺杂类石墨烯活性碳材料作为锂硫电池正极材料的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种氮掺杂类石墨烯活性碳材料的制备方法，所述方法如下：

将三聚氰胺和L-半胱氨酸混合球磨制得前驱体，进一步在惰性气氛中碳化后冷却至室温，制得氮掺杂类石墨烯活性碳材料。

优选的，所述三聚氰胺和L-半胱氨酸的质量比为1-10:1。

优选的，所述球磨的时间为2-10h。

优选的，所述惰性气氛为氩气、氮气、氦气或氖气中的一种或多种。

优选的，所述碳化后冷却至室温具体为以1-5℃/min的速率升温至600-1500℃后保持1-3h，然后以1-5℃/min的速率降至室温。

2、所述的方法制备的氮掺杂类石墨烯活性碳材料。

3、所述的氮掺杂类石墨烯活性碳材料作为锂硫电池正极材料的应用。