富本征缺陷碳材料及其制备方法、锂硫电池改性隔膜、锂硫电池和用电设备

本申请涉及材料领域，尤其涉及一种富本征缺陷碳材料及其制备方法、锂硫电池改性隔膜、锂硫电池和用电设备。

背景技术：

1、新能源的大量开发和电动汽车的迅猛发展对电化学储能设备在成本和性能方面提出了越来越高的要求。锂硫电池的理论能量密度高达2600wh/kg，同时正极硫具有储量丰富、成本低廉和环境友好的优势，因此其在未来电化学储能市场中具有极大的应用前景。但是，锂硫电池的实际应用仍面临极大挑战，主要涉及正极中间产物多硫化锂的穿梭效应和电化学反应动力学缓慢问题。对此，各种具有吸附和催化性能的材料被用来调控多硫化锂的吸附-扩散-转化行为。

2、碳材料因其成本低廉、结构可控和导电性高等优点，在电化学能源存储与转化领域广受欢迎。但对于具有完美六元环晶格结构的碳材料而言，其表面电子排布均匀，对极性多硫化锂的吸附和催化效果不佳，无法有效地改善锂硫电池的电化学性能。研究发现，通过在碳晶格中创造本征缺陷，可以打破碳π-π共轭体系的完整性，活化π电子，一方面可以通过化学锚定作用来抑制多硫化物穿梭效应，另一方面可以降低硫物种转化反应能垒，加快反应动力学。

3、碳本征缺陷构筑策略主要包括球磨法、化学氧化法、高温杂原子去除法、模板法等。球磨法是通过球磨将整体材料剥离成具有丰富边缘缺陷的碎片。随着研磨时间增加，碎片尺寸逐渐减小，边缘缺陷逐渐增多。此方法虽然简单易行，但对结构破坏程度不可控，损耗较高，容易导致样品不纯。化学氧化法是一种以溶液为基底的氧化过程。通过强氧化性物质将碳骨架分解，打开碳碳键，产生丰富的边缘缺陷。但此方法不环保，危险性较大，对结构破坏程度高。高温杂原子去除法是指将杂原子掺杂的碳材料进行高温热处理。在热处理过程中，杂原子被大量去除，剩余的碳原子重排形成了大量晶格缺陷。模板法需要先将模板与碳源复合，再通过高温去除模板产生丰富的碳缺陷。以上两种策略无法精确控制本征缺陷的类型及程度。因此开发简单、可控、绿色环保的本征碳缺陷构筑策略至关重要。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种富本征缺陷碳材料及其制备方法、锂硫电池改性隔膜、锂硫电池和用电设备，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

3、一种富本征缺陷碳材料的制备方法，包括：

4、使用co2激光器辐照碳前驱体材料，得到激光诱导石墨烯；所述碳前驱体材料包括聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、明胶、酚醛树脂、木质素中的一种或多种；

5、使用等离子体对所述激光诱导石墨烯进行表面刻蚀得到所述富本征缺陷碳材料。

6、优选地，所述辐照的功率为3.6-12w，扫速为125-250mm/s。

7、优选地，所述表面刻蚀的时间不超过10min，所述等离子体的功率不高于300w。

8、优选地，所述辐照在空气或惰性气氛下进行；

9、所述表面刻蚀在空气或惰性气氛下进行。

10、本申请还提供一种富本征缺陷碳材料，使用所述的富本征缺陷碳材料的制备方法制得。

11、本申请还提供一种锂硫电池改性隔膜，包括基膜和涂覆在所述基膜表面的包括所述的富本征缺陷碳材料。

12、优选地，所述基膜为聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚酰亚胺隔膜中的一种或多种。

13、本申请还提供一种锂硫电池，包括所述的锂硫电池改性隔膜。

14、优选地，所述锂硫电池的正极为碳纳米管/硫正极，所述锂硫电池的负极为金属锂，所述锂硫电池的电解液为锂硫醚类电解液。

15、本申请还提供一种用电设备，包括所述的锂硫电池。

16、与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

17、本申请提供的富本征缺陷碳材料的制备方法，采用激光直写与等离子体刻蚀联用技术，具有操作简单、结构可控、快速高效、绿色环保、普适性的优点。

18、本申请提供的富本征缺陷碳材料，激光辐照的瞬态热冲击过程可以在碳化过程中原位构筑拓扑缺陷，拓扑形变导致石墨烯形成三维蓬松泡沫结构，增大了后续等离子体刻蚀效率；等离子体后处理过程中，通过电离产生高能粒子轰击碳表面，产生了丰富的空位缺陷，打破了饱和配位结构，极大提高了碳表面的吸附与催化活性。富本征缺陷碳材料优异的导电性和三维泡沫结构有利于加快电子和锂离子的传输；丰富的本征缺陷能够化学吸附多硫化物并加快其转化反应。

19、因此，将其应用于锂硫电池改性隔膜，可以显著改善电化学性能。

技术特征：

1.一种富本征缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的富本征缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述辐照的功率为3.6-12w，扫速为125-250mm/s。

3.根据权利要求1所述的富本征缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述表面刻蚀的时间不超过10min，所述等离子体的功率不高于300w。

4.根据权利要求1-3任一项所述的富本征缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述辐照在空气或惰性气氛下进行；

5.一种富本征缺陷碳材料，其特征在于，使用权利要求1-4任一项所述的富本征缺陷碳材料的制备方法制得。

6.一种锂硫电池改性隔膜，其特征在于，包括基膜和涂覆在所述基膜表面的权利要求5所述的富本征缺陷碳材料。

7.根据权利要求6所述的锂硫电池改性隔膜，其特征在于，所述基膜包括聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚酰亚胺隔膜中的一种或多种。

8.一种锂硫电池，其特征在于，包括权利要求6或7所述的锂硫电池改性隔膜。

9.根据权利要求8所述的锂硫电池，其特征在于，所述锂硫电池的正极为碳纳米管/硫正极，所述锂硫电池的负极为金属锂，所述锂硫电池的电解液为锂硫醚类电解液。

10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求8或9所述的锂硫电池。

技术总结本申请提供一种富本征缺陷碳材料及其制备方法、锂硫电池改性隔膜、锂硫电池和用电设备，涉及材料领域。富本征缺陷碳材料的制备方法，包括：使用CO<subgt;2</subgt;激光器辐照碳前驱体材料，得到激光诱导石墨烯；使用等离子体对激光诱导石墨烯进行表面刻蚀得到所述富本征缺陷碳材料。富本征缺陷碳材料，使用富本征缺陷碳材料的制备方法制得。锂硫电池改性隔膜，包括基膜和涂覆在基膜表面的富本征缺陷碳材料。锂硫电池，包括锂硫电池改性隔膜。本申请提供的富本征缺陷碳材料，优异的导电性和三维泡沫结构有利于加快电子和锂离子的传输；丰富的本征缺陷能够化学吸附多硫化物并加快其转化反应，将其应用于锂硫电池改性隔膜，可以显著改善电化学性能。技术研发人员：张梦迪,尹天洢,吴明铂,胡涵受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/6/13