[发明专利]碳纳米材料的制备方法和正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米材料的制备方法和正极材料及其制备方法。该碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：提供钴掺杂的锌基金属有机骨架，所述钴掺杂的锌基金属有机骨架中的有机骨架含有氮元素；将所述钴掺杂的锌基金属有机骨架依次进行碳化处理和酸处理，然后烘干，得到Co/N共掺杂的碳纳米材料。该制备方法到Co/N双掺杂超级碳结构的碳纳米材料，具有可控的碳结构、较大的比表面积，同时实现了Co/N双掺杂，当用于Li‑SeS₂电池的正极材料时，该电极材料可以有效提高活性物质SeS₂的利用率并阻止多硫/多硒化合物的在电解液中的扩散，此外，其在能储，电催化，气体吸附等领域均具有较大的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米材料的制备方法和正极材料及其制备方法。

背景技术

移动储能设备的比容量、循环稳定性及循环寿命被认为是衡量储能系统优越性的关键参数，以Li-S电池为代表的新一代储能系统的研发是解决当前锂电池比容量低的有效途径，这主要是基于Li-S电池具有较高的理论比容量 (1675mA h^-1g^-1)，这几乎是商业化锂电池的三到五倍。同时作为正极材料的S元素资源丰富和成本低廉，因此Li-S电池一度被认为是取代锂电池的理想候选人，不幸的是S具有较强的绝缘性，这导致Li-S电池系统的倍率性能普遍较差，且活性物质S的利用率较低。为了解决以上问题，以Se作为活性物质的替代方案被提出，Li-Se电池可以提供与Li-S电池相似的体积能量密度(Li-Se: 3253mAh cm^-3；Li-S:3467mAh cm^-3)，且Se拥有更高的离子电导率(Se为 1×10^-3S/cm，S为5×10^-28S/cm)，因此极大的改善了电池的活性物质利用率及电化学反应效率。然而受限于活性物质Se较高的生产成本，Li-Se电池的大规模商业化生产被搁置。为了合理地平衡硒较高的导电性及硫较高的理论比容量，以SeS₂为代表的Se和S共混合电极材料的设想被Abouimrane等人提出，前期研究表明SeS₂电极适用于锂，钠和钾离子等电池系统，因此摆脱了单一金属价格上涨对商业化生产的限制。此外，以SeS₂作为正极材料可以实现大电压窗口下的充放电，同时表现出明显优于Li-S电池的倍率性能，这为实现大电流的充放电提供了必要条件。然而与S正极类似，SeS₂电极也会由于活性物质在电解液的溶解导致活性物质流失及容量衰减，由于SeS₂具有与S相似的化学性质，因此用于稳定S电极的策略也同样适用于抑制SeS₂在电解液中的溶解。

目前解决以上问题最为有效且成本低廉的方法是利用极性金属和碳材料的杂化材料作为正极材料，该电极材料可以通过化学方法锚定多硫化合物及多硒化合物，并且可以提高正极的导电性，进而提高电池的倍率性，此外，孔隙内的空隙为电极体积膨胀预留了空间，从而缓解了体积膨胀引起的电极粉化及碎裂。因此，极性金属、金属氮化物和金属硫化物掺杂的碳材料被广泛的应用于 Li-SeS₂电池领域。电子技术国家重点实验室在2018年报道了采用ZIF-67衍生 Co/N共掺杂碳材料作为Li-SeS₂电池正极材料(Jiarui He,Weiqiang Lv,Yuanfu Chen,Jie Xiong,Kechun Wen,Chen Xu,Wanli Zhang,Yanrong Li,Wu Qin， Weidong He，Direct impregnation of SeS₂ into a MOF-derived 3Dnanoporous Co-N-C architecture towards superior rechargeable lithiumbatteries，J.Mater.Chem. A,2018,6,10466–10473)，该报道指出，MOF衍生的Co/N共掺杂碳材料是一种提高Li-SeS₂电池性能的有效手段，但是该方法制备得到的碳材料比表面积低，同时制备的碳结构形貌过于单一。因此，现有技术有待改进。