[发明专利]一种单原子分散的原位生长掺杂氮原子碳纳米球的石墨烯泡沫、制备方法及应用

说明书

本发明涉及新能源材料技术领域，尤其是涉及一种单原子分散的原位生长掺杂氮原子碳纳米球的石墨烯泡沫、制备方法及应用。所述石墨烯泡沫原位生长有碳纳米球，所述碳纳米球掺杂了氮原子以及金属单原子。其制备方法包括：采用气相沉积法在泡沫金属模板表面制备石墨烯泡沫，而后在石墨烯泡沫表面原位生长含氮有机纳米球，依此经煅烧和去除泡沫模板后，得到原位生长掺杂氮原子以及金属单原子碳纳米球的石墨烯泡沫，得到的复合材料应用于锂硫电池，可以使得活性物质利用率得到极大提高，且整体的的电化学性能表现优异。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，尤其是涉及一种单原子分散的原位生长掺杂氮原子碳纳米球的石墨烯泡沫、制备方法及应用。

背景技术

随着社会快速地发展，对电能储存系统的性能提出了更高的要求，特别是对二次电池体系的能量密度要求越来越高。传统的锂离子电池虽然具有比能量高、工作电压高、循环使用寿命长、无环境污染等优点，但是商业化锂离子电池正极材料的理论比容量一般不超过300Wh·kg^-1，无法有效满足更高的能量密度要求。因此开发新一代高理论比容量二次电池体系成为当今研究的重点。在新的二次电池体系中，锂硫电池是以金属锂为负极材料和单质硫为正极材料的一种锂二次电池，硫正极的理论比容量高达1675mAh/g，是目前商业化锂离子电池实际比容量的3～5倍，此外，单质硫在自然界中的储量丰富，环境友好，基于以上优势锂硫电池被公认为是极具发展潜力的高能量密度储能体系。

然而，锂硫电池由于正极活性物质硫的一些性质以及反应特征，对其实际应用和产业化造成了极大的阻碍。(1)室温下，单质硫不导电，电导率为5×10^-30S/cm。因此当单质硫单独作为锂硫电池的正极时，会导致电子传输困难，电化学反应速率降低，活性物质硫的利用率随之降低，从而影响锂硫电池的电化学性能。(2)在充放电过程中产生的可溶性多硫化物中间体易溶于电解液，这会导致活性物质硫的损失，同时，电解液的粘度增加导致离子的电导率不断降低。(3)充放电过程中，由于中间体在不同阶段的密度不同，造成正极材料的体积发生变化，这种体积变化极易导致正极材料的结构发生改变,导致活性物质硫与导电网络骨架分离,从而造成锂硫电池容量的不可逆衰减。

为了解决上述锂硫电池的硫正极问题，常见的措施如下：引入良好的导电载体对硫进行包覆，提高硫正极材料的导电性能；设计空隙或三维结构，限制多硫化物中间体的溶解；构建稳定的多孔结构，缓冲充放电过程中引起的较大体积变化。典型的导电载体材料包括导电金属、金属氧化物、共价有机框架、聚合物和碳基质等材料。与其他复合材料相比，碳基质材料具备独特的形貌、高导电性以及较高比表面积，因此，碳基质材料在新能源领域得到了广泛的研究。

其中，石墨烯已经成为应用储能器件中最有潜力的材料。它是由单层碳原子以sp2杂化轨道构成的片状结构，具有优异的导电性，本身强度高且具有良好的柔韧性。并且，石墨烯片层之间相互缠绕、交联，可以构成孔道丰富的三维结构。这种三维多孔结构在提高活性物质负载量的同时，还可以有效缓解正极材料的体积膨胀效应。因此以石墨烯为基底构建三维结构更有利于发挥其实际应用价值。关于以石墨烯为基底构建三维结构研究的相关技术已有报道：