一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用

本发明属于电极材料，具体涉及一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用。

背景技术：

1、新时代的发展需求促进了新能源技术的发展。其中，锂离子电池作为商业化最成熟的储能产品，拥有高能量密度和长循环寿命，因此被广泛应用于我们的日常生活中。然而，有限的锂资源、上涨的制造成本以及不均匀分布性，已成为遏制锂离子电池大规模应用的关键。因此，开发出具有低成本和储量丰富的电池技术，引起了人们的广泛关注。

2、作为极具前景的可代替锂离子电池的储能设备，钾离子电池由于储量丰富、能量密度高等优点受到越来越多的关注。常见的负极材料石墨具有279ma·g-1的理论储钾比容量，但由于钾离子较大的离子半径导致电极材料易发生体积膨胀，导致循环性能性能差。因此，设计和开发一种新型的钾离子电池负极材料非常具有意义和必要性。

3、目前，各类型钾离子电池负极材料已被报道，如炭材料、合金材料、金属氧化物/硫化物和有机材料，其中炭材料由于其低成本、丰富的资源和环境友好性而被认为是最有前途的负极材料。但炭基材料在充放电中会产生高的电压极化，甚至在高倍率下出现钾金属沉积，导致电化学性能不佳。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用，本发明所提供的氮硫共掺杂多孔炭用于钾离子电池负极时，具有良好的电化学性能。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种氮硫共掺杂多孔炭的制备方法，包括以下步骤：

3、将煤沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；

4、将所述混合浆料水浴蒸后依次进行第一炭化和第二炭化，第二炭化所得产物依次经1m盐酸酸洗，蒸馏水多次过滤，烘干后得到所述氮硫共掺杂多孔炭；

5、所述氮硫源为罗丹宁；

6、所述第一炭化的温度为300～400℃，保温时间为1～3h；

7、所述第二炭化的温度为800～900℃，保温时间为2～3h。

8、采用分段炭化的作用是在沥青热解前和氮、硫源充分接触混合。

9、优选地，所述煤沥青的软化点为120℃，结焦值≥45％，水分≤3％，灰分≤0.4％，硫质量含量≤0.3％。

10、优选地，所述极性有机溶剂为四氢呋喃、甲苯或二甲苯中的任一种。

11、优选地，所述煤沥青和氯化钠的质量比为1:(6～10)，所述氮硫源和煤沥青的质量比为1:(1～2)。

12、优选地，所述水浴蒸干的温度为60～80℃，保温时间为4～5h。

13、优选地，所述第一炭化温度的升温速率为3℃/min，所述所述第一炭化温度的升温速率为5℃/min。

14、本发明还提供了上述所述的制备方法制备得到的氮硫共掺杂多孔炭，孔径为100～300nm，氮的掺杂含量为3～10at.％，硫的掺杂含量为2～8at.％。

15、本发明还提供了上述所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池负极材料中的应用。

16、本发明还提供了一种钾离子电池负极所述钾离子电池负极包括铜片铜箔和涂覆铜箔表面的负极材料，所述负极材料包括氮硫共掺杂多孔炭、导电剂和粘结剂且三者的质量比为70:20:10，所述氮硫共掺杂多孔炭为上述所述的氮硫共掺杂多孔炭。

17、优选地，所述导电剂包括乙炔黑，所述粘合剂包括羧甲基纤维素钠。

18、本发明提供了一种氮硫共掺杂多孔炭的制备方法，包括以下步骤：将沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；所述氮硫源为罗丹宁；所述第一炭化的温度为300～400℃，保温时间为1～3h；所述第二炭化的温度为800～900℃，保温时间为2～3h。本发明通过在碳框架中引入氮、硫原子扩大了碳层间距并且增加结构缺陷和储钾活性位点，因此，本发明提供的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池负极材料时可逆比容量较高。

19、另外，由于合理的混匀方式和适当的反应条件，因此，本发明提供的氮硫共掺杂多孔炭中氮、硫元素的掺杂量多，且掺杂均匀，而且由于本发明提供的氮硫共掺杂多孔炭中氮、硫掺杂量多且均匀，使得炭基体中具有丰富的缺陷和储钾活性位点、大的碳层间距以及稳固的网络结构，有利于钾离子快速、稳定的传输进而提高电化学性能。实施例的数据表明，以本发明所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池的负极材料时，在0.1a·g-1电流密度下可逆比容量可达240～300mah·g-1，且在2a·g-1的大电流密度下依然能保留150～200mah·g-1的可逆比容量，具有优异的可逆容量与倍率性能。

技术特征：

1.一种氮硫共掺杂多孔炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述煤沥青的软化点为120℃，结焦值≥45％，水分≤3％，灰分≤0.4％，硫质量含量≤0.3％。

3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述极性有机溶剂为四氢呋喃、甲苯或二甲苯中的任一种。

4.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述煤沥青和氯化钠的质量比为1:(6～10)，所述氮硫源和煤沥青的质量比为1:(1～2)。

5.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述水浴蒸干的温度为60～80℃，保温时间为4～5h。

6.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述第一炭化温度的升温速率为3℃/min，所述所述第一炭化温度的升温速率为5℃/min。

7.权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到的氮硫共掺杂多孔炭，其特征在于，孔径为100～300nm，氮的掺杂含量为3～10at.％，硫的掺杂含量为2～8at.％。

8.权利要求7所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池负极材料的应用。

9.一种钾离子电池负极，所述钾离子电池负极包括铜片铜箔和涂覆铜箔表面的负极材料，其特征在于，所述负极材料包括氮硫共掺杂多孔炭、导电剂和粘结剂且三者的质量比为70:20:10，所述氮硫共掺杂多孔炭为权利要求6所述的氮硫共掺杂多孔炭。

10.根据权利要求9所述的钾离子电池负极，其特征在于，所述导电剂包括乙炔黑，所述粘合剂包括羧甲基纤维素钠。

技术总结本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种氮硫共掺杂多孔炭及其制备方法和应用。本发明提供了制备方法，包括以下步骤：将煤沥青、氯化钠、氮硫源和极性有机溶剂混合，得到混合浆料；将所述混合浆料干燥后依次进行第一炭化和第二炭化，得到所述氮硫共掺杂多孔炭；所述氮硫源为罗丹宁。实施例的数据表明，以本发明所述的氮硫共掺杂多孔炭作为钾离子电池的负极材料时，在0.1A·g<supgt;‑1</supgt;电流密度下可逆比容量可达240～300mAh·g<supgt;‑1</supgt;，且在2A·g<supgt;‑1</supgt;的大电流密度下依然能保留150～200mAh·g<supgt;‑1</supgt;的可逆比容量，具有优异的可逆容量与倍率性能。技术研发人员：蒋江民,江野,鞠治成,庄全超,崔永莉,史月丽,陈亚鑫受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29