CN109346689A - 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109346689A
CN109346689A CN201811132838.0A CN201811132838A CN109346689A CN 109346689 A CN109346689 A CN 109346689A CN 201811132838 A CN201811132838 A CN 201811132838A CN 109346689 A CN109346689 A CN 109346689A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pore channel
nano carbon
carbon balls
hollow nano
electrode material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811132838.0A
Other languages
English (en)
Inventor
王克坚
张奎博
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CH Auto Technology Co Ltd
Beijing Changcheng Huaguan Automobile Technology Development Co Ltd
Original Assignee
Beijing Changcheng Huaguan Automobile Technology Development Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Changcheng Huaguan Automobile Technology Development Co Ltd filed Critical Beijing Changcheng Huaguan Automobile Technology Development Co Ltd
Priority to CN201811132838.0A priority Critical patent/CN109346689A/zh
Publication of CN109346689A publication Critical patent/CN109346689A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法，主要的技术方案是：通过将SiO2多孔微球作为模板，将对苯二胺与对苯二甲醛等发生聚合反应制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料，并将其作为硫碳复合电极的碳材料，通过熔融扩散法对氮掺杂多孔中空碳球复合材料进行充硫复合，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料/S。本发明提供的方法制备的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料时，其中空结构可以为锂硫电池中单质硫在充放电过程中的体积应变提供缓冲空间，氮元素的掺杂提供了更多的自由电子，有利于增强锂硫电池正极片的导电性。

Description

一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂硫电池技术领域，具体而言，涉及一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法。
背景技术
进入21世纪以来，化学能源正逐渐枯竭，人们的节能环保意识逐渐提高，锂离子电池作为轻便环保、高能量密度的可充电二次电池已在社会各行各业中得到广泛应用。但与此同时，便携式电子设备、能源、通信、交通、军事、航天等领域的迅速发展对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的应用要求。而现有的商业化锂离子电池限于其正极材料本身的理论比容量，能量密度有限，暂时无法满足这些要求。近年来，锂硫电池以其高达1675mAh/g的理论比容量、2600Wh/kg的理论比能量(与金属锂组成电池)成为研究热点，其理论比容量比目前商用锂电池高出约一个数量级。同时，硫具有储量丰富、无毒环保等特点，具有极高的应用潜力。锂硫电池的研究从20世纪70年代开始，在几十年中取得了许多理论和实际应用上的进展。然而，就目前技术水平而言，锂硫电池仍存在许多较难解决的技术难题和不足之处，例如由多硫化物的溶解迁移造成的飞梭效应而导致硫碳电极的库伦效率较低的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法，旨在解决现有硫碳电极库伦效率较低的问题。
具体地，本发明提出了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将对苯二胺与对苯二甲醛、N,N-二甲基乙酰胺混合后在第一预设温度下持续搅拌一段时间后，加入对苯二酚，直至得到清澈透明的前驱体溶液；同时，将SiO2模板分散至N,N-二甲基乙酰胺中，并加入分散剂分散均匀，将所述前驱体溶液逐滴加入至分散好的SiO2模板悬浮液中，调节PH至4.6-4.8，然后在第二预设温度下持续搅拌一段时间后对产物进行离心、洗涤、并干燥一段时间后，将产物以预设升温速率升温至一定温度，碳化一段时间后，刻蚀、离心并洗涤至中性，在第三预设温度下干燥一段时间，制得氮掺杂多孔中空碳球复合材料。
具体而言，由于对苯二胺含氮量较高，选用其与对苯二甲醛及对苯二酚进行聚合，可以提高氮原子的掺杂率，而氮原子的掺杂可以提供更多的自由电子，有利于提高碳材料的导电性。该步骤中的前驱体溶液即为对苯二酚、对苯二甲醛与对苯二胺作用生成的聚合物酚醛树脂。
该步骤中，SiO2模板、对苯二胺、对苯二甲醛与对苯二酚的摩尔比为(1～3)：(1～6):(1～2):(1～2)；其中，优选的，对苯二胺与对苯二甲醛的摩尔比为1：(3～6)，更优选为1:3。例如对苯二胺的用量可以为1.26g、3.78g、7.56g等；对苯二甲醛的用量可以为1.34g、2.68g等；N,N-二甲基乙酰胺的用量可以为10ml、20ml等；对苯二酚的用量可以为1.1g、2.2g等。
SiO2模板的制备过程可以如下:将乙醇与去离子水混合，加入正硅酸乙酯，搅拌至溶液均一稳定后，缓慢加入氨水，继续搅拌一段时间，将产物离心、干燥，制得SiO2模板。这样的加入顺序,可以防止反应物正硅酸乙酯与氨水反应不够充分而发生络合反应产生沉淀。
具体而言，正硅酸乙酯、乙醇、去离子水和氨水的摩尔比可以为(6～6.15)：(70～80)：(10～12)：(3.10～3.20)，优选为6：75：10：3.15。该步骤中，分离产物时，可以选用高速离心机进行分离，将分离得到的产物分别用去离子水和乙醇进行洗涤，对产物进行干燥的温度可以优选为(55～60)℃，例如60℃；干燥的时间可以为(10-12)h，例如12h。制得的SiO2多孔微球模板的粒径为(200-400)nm，例如300nm。该步骤中，室温可以根据具体的外界环境来确定，一般可以为20～25℃，此处不做任何限定。
该步骤中，SiO2模板的微观结构呈多孔为微球状,分散SiO2模板时的分散剂可以为十二烷基苯磺酸钠、甲基戊醇、聚乙烯酰胺或三乙基己基磷酸。调节PH所用的调节剂可以为不具氧化性和还原性的弱酸，例如冰醋酸。
所述第一预设温度为(75～90)℃，优选的，所述第一预设温度为(75～85)℃；在第一预设温度下的搅拌时间可以为(10～30)min，例如为20min；所述第二预设温度为(50～60)℃，优选为(50～55)℃，在该温度下可以搅拌(30-60)min；预设升温速率为(1-8)℃/min，优选为(1-5)℃/min，进一步优选为3℃/min；碳化温度为(700～780)℃，优选为(700～750)℃；碳化时间为(2-8)h，优选为(4-6)h；刻蚀时间为(2-9)h，进一步优选为6h；所述第三预设温度为(50～65)℃，优选为(55～60)℃。
刻蚀过程所用的刻蚀剂可以是HF水溶液或氢氧化钠的醇水溶液。优选的，所述HF水溶液的浓度为(10-20)wt％，例如质量浓度为10wt％的HF水溶液；氢氧化钠的醇水溶液中，氢氧化钠的浓度为(0.5-1)mol/L，溶剂中乙醇和水的体积比为1:1。
本发明实施例中，通过在SiO2多孔微球表面由对苯二胺、对苯二酚以及对苯二甲醛发生聚合反应生成均匀的酚醛树脂，而后进行高温碳化、通过HF的水溶液或氢氧化钠的醇水溶液对SiO2层进一步刻蚀得到氮掺杂多孔中空碳球复合材料，以NPHCN代表氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料。
(2)将所述氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和升华硫混合研磨均匀后密封，将混合物在第四预设温度下加热一段时间，最后升温至第五预设温度保温一段时间将外表面的硫蒸发，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
具体而言，氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和升华硫的质量比可以为7：(3～3.2)；优选为7：3。第四预设温度为(140～160)℃，优选为(150～155)℃，更优选为155℃；加热时间为(10～14)h，优选为(10～12)h，更优选为12h；第五预设温度为(160～220)℃，优选为(180～200)℃，更优选为200℃；保温时间为(0.2～1)h，优选为(0.4～0.6)h，更优选为0.5h。本发明实施例中，以NPHCN/S代表氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
具体实施时，由于高温下硫单质容易升华，为了保证硫可以与氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料进行复合，这里将两者在室温下放置于玻璃容器中，然后通过酒精喷灯将玻璃容器的相应部位融化后再进行密封。
本发明提供的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，通过正硅酸乙酯与乙醇、去离子水和氨水作用制备得到SiO2多孔微球模板；在SiO2多孔微球表面由对苯二胺、对苯二酚以及对苯二甲醛发生聚合反应生成均匀的酚醛树脂，而后对上述产物进行高温碳化、通过HF水溶液或氢氧化钠醇水溶液对SiO2进行刻蚀后进行洗涤等操作，得到氮掺杂多孔中空碳球复合材料NPHCN；通过熔融扩散法对的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料进行充硫复合，最终得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。整个制备过程操作简单，对设备要求低，易于操作。
进一步的，通过本发明提供的方法制备的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料时，其中空结构可以为锂硫电池中单质硫在充放电过程中的体积应变提供缓冲空间，氮元素的掺杂提供了更多的自由电子，有利于增强锂硫电池正极片的导电性。
附图说明
图1为本发明实施例中SiO2多孔微球的扫描电镜图；
图2为本发明实施例中氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料NPHCN的扫描电镜图；
图3a为本发明实施例中氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料NPHCN的透射电镜图；
图3b为本发明实施例中氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料NPHCN的透射电镜图的放大图；
图4a为本发明实施例1中NPHCN/S复合电极材料的扫描电镜图；
图4b-f为本发明实施例1中NPHCN/S复合电极材料中C、N、O、S各元素的分布图；
图5为本发明实施例中NPHCN/S复合电极材料的TGA曲线图；
图6为本发明实施例中实施例1-3中制备的NPHCN/S复合电极材料组装成的电池在0.4C下的循环稳定对比图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
将75ml乙醇、25ml去离子水倒入烧杯中，加入6ml正硅酸乙酯，不断搅拌，待溶液均匀后缓慢加入3ml氨水，在室温下搅拌2小时。将所得产物进行高速离心，并不断用去离子水及乙醇洗涤直到溶液PH为7，将产物在60℃真空烘箱内干燥24小时，得到产品SiO2模板；
将6.48g对苯二胺与1.34g对苯二甲醛、10mlN,N-二甲基乙酰胺混合后在70℃下持续搅拌20分钟，随后加入1.1g对苯二酚，直到获得清澈透明的前驱体溶液。同时，将1.89g多孔SiO2分散到去离子水中，并加入少量十二烷基苯磺酸钠，超声搅拌1h。将上述前驱体溶液在强烈搅拌下逐滴加入分散好的SiO2悬浮液中，用冰醋酸调节PH至4.6-4.8，然后在60℃下持续搅拌1h后使用高速离心机对产物进行离心，并用去离子水洗涤两次。将洗涤后的产物在真空干燥箱中60℃下干燥24h后，以5℃/min的升温速率在管式炉氮气气氛下升至800℃碳化9h。最后用10％的HF溶液刻蚀6h，用高速离心机离心，并用去离子水洗涤至中性，在真空干燥箱中60℃下干燥24h后获得NPHCN；
将0.7g制得的NPHCN和0.3g的升华硫在玛瑙研钵内混合研磨均匀后，装进玻璃容器内密封，随之将混合物在155℃下加热12h，最后将温度升至200℃保持30分钟将外表面的硫蒸发，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
实施例2
将70ml乙醇、20ml去离子水倒入烧杯中，加入5ml正硅酸乙酯，不断搅拌，待溶液均匀后缓慢加入2.5ml氨水，在室温下搅拌2小时。将所得产物进行高速离心，并不断用去离子水及乙醇洗涤直到溶液PH为7，将产物在65℃真空烘箱内干燥24小时，得到产品SiO2模板；
将6.48g对苯二胺与2.68g对苯二甲醛、10ml N,N-二甲基乙酰胺混合后在60℃下持续搅拌10分钟，随后加入2.2g对苯二酚，直到获得清澈透明的前驱体溶液。同时，将1.22g多孔SiO2分散到去离子水中，并加入少量甲基戊醇，超声搅拌0.5h。将上述前驱体溶液在强烈搅拌下逐滴加入分散好的SiO2悬浮液中，用冰醋酸调节PH至4.6-4.8，然后在50℃下持续搅拌1h后使用高速离心机对产物进行离心，并用去离子水洗涤两次。将洗涤后的产物在真空干燥箱中50℃下干燥12h后，以3℃/min的升温速率在管式炉氮气气氛下升至850℃碳化6h。最后用15％的HF溶液刻蚀9h，用高速离心机离心，并用去离子水洗涤至中性，在真空干燥箱中65℃下干燥24h后获得NPHCN；
NPHCN将1.4g wt％制得的NPHCN复合材料和0.6g的升华硫在玛瑙研钵内混合研磨均匀后，装进玻璃容器内密封，随之将混合物在140℃下加热12h，最后将温度升至180℃保持36分钟将外表面的硫蒸发，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
实施例3
将75ml乙醇、25ml去离子水倒入烧杯中，加入8ml正硅酸乙酯，不断搅拌，待溶液均匀后缓慢加入4ml氨水，在室温下搅拌2小时。将所得产物进行高速离心，并不断用去离子水及乙醇洗涤直到溶液PH为7，将产物在60℃真空烘箱内干燥24小时，得到产品SiO2模板。
将1.08g对苯二胺与1.34g对苯二甲醛、10ml N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)混合后在70℃下持续搅拌20分钟，随后加入0.73g对苯二酚，直到获得清澈透明的前驱体溶液。同时，将0.61g多孔SiO2分散到去离子水中，并加入少量聚乙烯酰胺，超声搅拌1h。将上述前驱体溶液在强烈搅拌下逐滴加入分散好的SiO2悬浮液中，用冰醋酸调节PH至4.6-4.8，然后在60℃下持续搅拌1h后使用高速离心机对产物进行离心，并用去离子水洗涤两次。将洗涤后的产物在真空干燥箱中60℃下干燥24h后，以1℃/min的升温速率在管式炉氮气气氛下升至850℃碳化6h。最后用10％的HF溶液刻蚀9h，用高速离心机离心，并用去离子水洗涤至中性，在真空干燥箱中60℃下干燥24h后获得NPHCN；
将0.7g制得的NPHCN复合材料和0.32g的升华硫在玛瑙研钵内混合研磨均匀后，装进玻璃容器内密封，随之将混合物在160℃下加热12h，最后将温度升至220℃保持10分钟将外表面的硫蒸发，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
实验例
实施例1-3中对苯二胺与对苯二甲醛的摩尔比(F/M)分别为6:1、3:1、1:1，以NPHCN-1、NPHCN-2、NPHCN-3分别代表实施例1-实施例3制得的NPHCN，将各NPHCN样品通过元素分析的结果如下表1：
表1 NPHCN的元素分析结果
可以看出：随着F/M比例的降低，氮含量不断增加。当F/M＝1时，氮含量最高为14.93％。
由于正极材料的导电性对硫正极的电化学性能具有重要的影响，本发明实施例采取四电极接触法测试了不同F/M比例的的NPHCN材料的电导率，结果如表2：
表2不同含氮量的NPHCN的电导率结果
材料 面电阻(Ω/cm<sup>2</sup>) 电阻率(Ωcm) 电导率(Scm)
NPHCN-1(F/M＝6) 156.0 0.58 1.7
NPHCN-2(F/M＝3) 61.8 0.23 4.3
NPHCN-3(F/M＝1) 72.6 0.27 3.6
可以看出：当掺氮量由7.9％增大到10.28％时，NPHCN-2的电导率由NPHCN-1的1.7S/cm升高至4.3S/cm；当掺氮量增大到14.93％时，NPHCN-3的电导率为3.6S/cm，有所降低；这可能由于过量的掺氮会一定程度上破坏石墨片层之间的连接结构，使石墨片层趋于无序，从而影响了电子的快速传导。
为了验证本发明实施例中制得的SiO2多孔微球、NPHCN和NPHCN/S的形貌结构及晶体结构等特征，对实施例3中制备的NPHCN及NPHCN/S分别进行了相关测试，测试结果如图1-5：
由图1可知SiO2模板为多孔微球状结构，其直径约为300nm，且表面光滑，由此可知，SiO2模板的结构较为稳定。
由图2可知NPHCN为球状结构，外表面呈现粗糙状态。经包覆、煅烧、刻蚀后，NPHCN微球的直径扩大到约350nm。由此推断中空NPHCN微球的壳厚约为25nm。
图3为NPHCN的透射电镜图，从透射电镜图片中可以看到NPHCN微球的确是中空结构，壳厚大约是25nm，与扫面电镜结果相符。同时中空微球的球壳并不光滑，粗糙的表面存在着很多无序的孔洞，有利于硫单质的吸附。
通过氮气的吸附脱附实验对NPHCN材料的孔结构性质进行测定，比表面积为1281m2g-1，孔体积分别3.88cm3g-1。说明其具有较大的比较面积，有利于对硫单质的吸附。
图4a为NPHCN/S的STEM图片，可以看到NPHCN在充硫后，硫并未充满整个空腔，存在内部空隙，这对电池在充放电过程中硫正极的体积应变起到很好的缓冲作用。图4b-f为对应的元素分布图，其中，图4d代表氮元素的分布；图4f代表硫元素的分布，可以看出N元素和S元素均匀地分布在NPHCN微球上。
由图5可以看出，NPHCN/S复合电极材料中硫的含量为71.0wt％，NPHCN/S复合电极材料的硫升华温度为150～350℃，说明NPHCN与S之间的结合力较强。
为了验证本发明实施例1-3制备的NPHCN/S复合电极材料的电化学性能，先将正极材料制成正极极片后与作为负极的金属锂片组装成纽扣电池。具体步骤如下：将制备的氮掺杂多孔中空碳球/S复合电极材料、乙块黑、PVDF以14:3:3的质量比混合均匀，并加入适量的NMP，磁力搅拌12h，使其充分混合成具有一定粘度的浆料。之后将浆料用自动涂布仪均匀涂覆在的铝箔上，并在60℃下真空干燥24h，随后用切片机手动冲成直径为12mm的圆形极片。采用CR2016纽扣电池壳装配电池，以下组装过程在手套箱中进行，其中充满高纯氩气，水、氧含量均小于0.1ppm。以制得的电极片为正极、微孔聚乙烯和聚丙烯的复合膜为隔膜、金属锂片为负极，将上述正极片、隔膜和负极片依次放入电池壳中，注入1M双三氟甲烷黄酰亚胺锂(LiTFSI)，2wt％LiNO3的1,3-二氧环戊烷DOL：1,2-二甲氧基乙烷DME(体积比1：1)溶液，然后将组装好的电池在手动封口机中压紧密封，封口完毕的电池静置12h。
对上述纽扣电池进行循环稳定性测试，结果如图6所示，在0.4C电流密度下NPHCN-1/S、NPHCN-2/S和NPHCN-3/S三种复合材料组装的电池的首次放电比容量相近，分别为1205mAh/g、1197mAh/g、1235mAh/g。含氮量为10.28wt％的NPHCN-2/S的复合材料电池稳定性最优，特别是在10圈(1030mAh/g)以后，经过90次充电循环后，比容量能保持在910mAh/g，容量保持率为88％，容量损失率仅为0.13％。NPHCN-1/S(实施例1制备的NPHCN/S)和NPHCN-3/S(实施例3制备的NPHCN/S)经过100圈充放电循环后容量分别保持在809mAh/g、751mAh/g，容量保持率分别为79％、73％，容量损失率分别为0.23％/圈、0.30％/圈。NPHCN/S复合电极材料的稳定性可以归结为：氮原子的掺杂改变了碳原子的表面化学性质和电子结构，促使Li-N之间配位键的产生，通过化学吸附与物理吸附结合的方式限制了多硫化物的飞梭效应，从而提高了硫碳电极的库伦效率。
综上，本发明提供的方法制备的氮掺杂多孔中空碳球复合电极材料，其中空结构可以为锂硫电池中单质硫在充放电过程中的体积应变提供缓冲空间，氮元素的掺杂提供了更多的自由电子，有利于增强锂硫电池正极片的导电性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将对苯二胺与对苯二甲醛、N,N-二甲基乙酰胺混合后在第一预设温度下持续搅拌一段时间后，加入对苯二酚，直至得到清澈透明的前驱体溶液；同时，将所述SiO2模板分散至N,N-二甲基乙酰胺中，并加入分散剂分散均匀，将所述前驱体溶液逐滴加入至分散好的SiO2模板悬浮液中，调节PH至4.6-4.8，然后在第二预设温度下持续搅拌一段时间后对产物进行离心、洗涤、并干燥一段时间后，将产物以预设升温速率升温至一定温度，碳化一段时间后，刻蚀、离心并洗涤至中性，在第三预设温度下干燥一段时间，制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料；
(2)将所述氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和升华硫混合研磨均匀后密封，将混合物在第四预设温度下加热一段时间，最后升温至第五预设温度保温一段时间将外表面的硫蒸发，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/S复合电极材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(1)中，SiO2模板、对苯二胺、对苯二甲醛与对苯二酚的摩尔比为(1～3)：(1～2):(1～6):(1～2)。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(1)中，对苯二胺与对苯二甲醛的摩尔比为1:3。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(2)中，氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和升华硫的质量比为7：(3～3.2)。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、甲基戊醇、聚乙烯酰胺或三乙基己基磷酸。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(1)中，刻蚀过程所用的刻蚀剂是HF水溶液或氢氧化钠的醇水溶液。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第一预设温度为(75～90)℃；所述第二预设温度为(50～60)℃；预设升温速率为(1-8)℃/min、碳化温度为(700～780)℃、碳化时间为(2-8)h、刻蚀时间为(3-12)h；所述第三预设温度为(50～65)℃。
8.根据权利要求7所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，
所述步骤(2)中，所述第一预设温度为(75～85)℃；所述第二预设温度为(50～55)℃；预设升温速率为(1-5)℃/min、碳化温度为(700～750)℃、碳化时间为(4-6)h、刻蚀时间为(6-9)h；所述第三预设温度为(55～60)℃。
9.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(2)中，所述第四预设温度为(140～160)℃、加热时间为(10～14)h；所述第五预设温度为(160～220)℃、所述保温时间为(0.2～1)h。
10.根据权利要求9所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料，其特征在于，所述步骤(2)中，所述第四预设温度为(150～155)℃、加热时间为(10～12)h；所述第五预设温度为(180～200)℃、所述保温时间为(0.4～0.6)h。
CN201811132838.0A 2018-09-27 2018-09-27 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法 Pending CN109346689A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811132838.0A CN109346689A (zh) 2018-09-27 2018-09-27 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811132838.0A CN109346689A (zh) 2018-09-27 2018-09-27 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109346689A true CN109346689A (zh) 2019-02-15

Family

ID=65307179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811132838.0A Pending CN109346689A (zh) 2018-09-27 2018-09-27 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109346689A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110407194A (zh) * 2019-08-02 2019-11-05 武汉理工大学 三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用
CN110797522A (zh) * 2019-09-30 2020-02-14 温州大学 氮掺杂倒刺状碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用
CN110970606A (zh) * 2019-11-21 2020-04-07 暨南大学 氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用
CN112209358A (zh) * 2020-09-16 2021-01-12 中山大学 一种原位氮掺杂中空碳球、其制备方法及应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104961121A (zh) * 2015-06-24 2015-10-07 上海大学 氮掺杂核壳空心碳的制备方法
CN105938900A (zh) * 2016-06-20 2016-09-14 北京理工大学 一种表面修饰的氮掺杂多孔碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究
CN106340632A (zh) * 2016-08-29 2017-01-18 温州大学 碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用
US20170358800A1 (en) * 2016-06-10 2017-12-14 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Cathode for metal-sulfer battery having cathode active material layer containing n-doped carbon and protective film
CN108448101A (zh) * 2018-04-12 2018-08-24 深圳大学 锂硫电池正极材料及其制备方法和应用
CN108565467A (zh) * 2018-05-07 2018-09-21 奇瑞汽车股份有限公司 氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104961121A (zh) * 2015-06-24 2015-10-07 上海大学 氮掺杂核壳空心碳的制备方法
US20170358800A1 (en) * 2016-06-10 2017-12-14 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Cathode for metal-sulfer battery having cathode active material layer containing n-doped carbon and protective film
CN105938900A (zh) * 2016-06-20 2016-09-14 北京理工大学 一种表面修饰的氮掺杂多孔碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究
CN106340632A (zh) * 2016-08-29 2017-01-18 温州大学 碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用
CN108448101A (zh) * 2018-04-12 2018-08-24 深圳大学 锂硫电池正极材料及其制备方法和应用
CN108565467A (zh) * 2018-05-07 2018-09-21 奇瑞汽车股份有限公司 氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANG LIU等: "Kinetically Controlled Assembly of Nitrogen‐Doped Invaginated Carbon Nanospheres with Tunable Mesopores", 《CHEM. EUR. J.》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110407194A (zh) * 2019-08-02 2019-11-05 武汉理工大学 三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用
CN110407194B (zh) * 2019-08-02 2023-03-21 武汉理工大学 三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用
CN110797522A (zh) * 2019-09-30 2020-02-14 温州大学 氮掺杂倒刺状碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用
CN110797522B (zh) * 2019-09-30 2022-08-30 温州大学 氮掺杂倒刺状碳纳米球/硫复合材料及其制备方法和应用
CN110970606A (zh) * 2019-11-21 2020-04-07 暨南大学 氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用
WO2021098435A1 (en) * 2019-11-21 2021-05-27 Jinan University Electrode materials, and methods of manufacturing and use thereof
CN110970606B (zh) * 2019-11-21 2021-11-23 暨南大学 氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用
CN112209358A (zh) * 2020-09-16 2021-01-12 中山大学 一种原位氮掺杂中空碳球、其制备方法及应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109461900A (zh) 一种多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法
CN109346689A (zh) 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合电极材料的制备方法
CN109052366A (zh) 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法
CN106099061B (zh) 一种多孔石墨烯/硅复合材料、其制备方法及锂离子电池
CN107611406A (zh) 一种硅/石墨烯/碳复合负极材料的制备方法
CN105006554B (zh) 一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法
CN108448080A (zh) 一种石墨烯包覆硅/金属复合负极材料及其制备方法
CN109473658B (zh) 一种锂离子电池负极材料的制备方法及应用其的锂离子电池
CN103682327B (zh) 基于氮掺杂碳层包裹的空心多孔氧化镍复合材料的锂离子电池及其制备方法
CN105594022A (zh) 用于锂硫电池的含硫复合物、制备所述复合物的方法以及包含所述复合物的电极材料和锂硫电池
CN108682833B (zh) 一种磷酸铁锂基改性正极材料制备方法
CN108899522B (zh) 一种高容量硅碳负极材料、制备方法及应用
CN105742600A (zh) 锂离子电池二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料的制备
CN108666543B (zh) 一种海海绵状C-SiC复合材料及其制备方法
CN110085813A (zh) 一种硬碳复合材料及其制备方法
CN102569788B (zh) 一种锂离子电池的负极材料及其制备方法、以及一种锂离子电池
CN111689500A (zh) 一种低膨胀性的SiO/石墨复合电极材料的制备方法
CN109110745A (zh) 一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法
CN104332600A (zh) 用于锂硫电池正极的石墨烯/硫/导电聚合物复合材料制备方法
CN106450474A (zh) 凝胶型聚合物电解质膜及其制备方法
CN108574099A (zh) 一种锂离子电池复合正极材料的制备方法
CN106276910A (zh) 一种锂离子电池用低温石墨负极材料制备方法
CN111029547A (zh) 一种多孔硅碳复合材料的制备方法
WO2017185479A1 (zh) 核壳结构的材料、其制备方法及应用
CN104362318B (zh) 一种制备微孔球结构的硅酸亚铁锂/碳复合正极材料的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190215