[发明专利]一种硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，公开了一种硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料及其制备方法与应用。所述硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料，其形貌呈血红蛋白状，壳层具有囊泡状孔结构，内部呈中空空腔结构；所述碳材料进行了硫元素的掺杂。方法：将硅溶胶或二氧化硅与高分子材料通过喷雾干燥的方式制备成固体粉末；在保护性氛围下，将固体粉末进行高温碳化，硫化，酸洗，获得所需碳材料。本发明的碳材料用于钾离子电池负极材料中。本发明的方法简单，成本低廉。所述材料具有超高的比表面积、高电子导电率、快速离子扩散通道和丰富的钾离子存储位点等特点，应用于钾离子电池负极材料具有比容量高、循环寿命长和倍率性能优异等特点。

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硫掺杂的三维中空多孔的血红蛋白状碳材料及其制备方法和应用。所述硫掺杂的三维中空多孔的血红蛋白状碳材料应用于钾离子电池负极材料。

背景技术

随着社会经济的高速发展，人类对能源需求快速提升。为克服传统化石能源紧缺、环境恶化等不利影响，人们对大容量、长寿命、低成本的电化学储能装置给予了极大的关注。目前，锂离子电池(LIB)作为一种二次电池储能系统已经在电动汽车和消费类电子产品等领域得到极大推广，但价格昂贵、资源有限、且分布不均已限制了其进一步的发展。因此，开发新型替代储能电池显得尤为重要。与锂离子电池相比，钾离子电池(PIB)有着明显的优势，如资源丰富，成本较低，标准还原电势低，具有较高的能量密度等。此外，钾离子的路易斯酸性较弱，能够形成更小的溶剂化离子，离子电导率和溶剂化离子传输数量优于锂离子。因此，开发具有高容量、长寿命、低成本、高安全性的钾离子电池具有重大意义。

碳材料具有放电平台低、廉价环保等特点，可以与钾离子进行多步脱嵌反应最终结合生成KC₈，理论比容量高达279mAh g^-1，在钾离子电池负极材料中得到广泛应用。但由于钾离子半径大，在传统石墨材料中脱嵌会产生较大的体积膨胀。目前，硬碳材料比容量低、循环稳定性差，难以满足大倍率和长寿命的要求，因此找到一种科学有效的策略，开发出高性能的碳基钾离子电池负极材料具有十分重要的意义。

Ni等人(Ni,D.,et al.,Heteroatom-Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheresfor Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life.Advanced EnergyMaterials,2019.9(19).)以CaCO₃为模板，通过多巴胺包覆和尿素水热制备了氮掺杂的多孔中空碳球，在500mA g^-1的电流密度下，1000次循环后仍有134mAh g^-1比容量，但是原料成本高、制备周期长，产率低，不利于钾离子用负极材料的批量生产和大规模应用。Zhao等人(Zhao,G.,et al.,Sulphur-doped carbon nanosheets derived from biomass as high-performance anode materials for sodium-ion batteries.Nano Energy,2020.67.)利用洋葱表皮、大蒜皮和荷叶等富含大量生物质的原材料，通过和硫粉混合热解制备得到硫掺杂的三维框架碳纳米片，在小电流密度下表现出良好的循环性能(174mAh g^-1@50mAg^-1)，但是因为材料比表面积小，表现为倍率性能较差，不适合大电流密度下的应用。

发明内容

为了克服现有负极碳材料体积膨胀造成容量衰减过快以及倍率性能较差的问题，以及现有方法中合成步骤复杂，产率低，效率低下，不能规模生产等难题，本发明的目的在于提供了一种硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料的应用。所述硫掺杂三维中空多孔血红蛋白状碳材料在钾离子电池负极中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：