富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制法及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制法及应用。所述碳质载体包括碳质内核以及包覆于碳质内核上的富氮碳壳。本发明专利技术提供的所述碳质载体不但具有丰富的氮元素的掺杂量，而且具有强多硫离子物理和化学吸附能力和优异电化学稳定性，其在应用于锂硫电池时，例如应用为锂硫二次电池的正极材料时，即使长循环充放电也可保持高容量、倍率循环性能和超高电化学稳定性，从而使得电池整体电化学性能得到提升，同时所述碳质载体的制备工艺条件温和，低能耗，低成本，易于规模化生产。

Nitrogen rich carbon shell coated nano core shell structure carbon carrier, preparation method and application thereof

The invention discloses a nitrogen rich carbon shell coated nano core shell structure carbon carrier, a preparation method and an application thereof. The carbonaceous support comprises a carbonaceous core and a nitrogen rich carbon shell enclosed on the carbon core. The doping amount of the carbonaceous carrier provided by the invention not only has the nitrogen rich, but also has strong polysulfide ions physical and chemical adsorption ability and excellent electrochemical stability, the application in lithium sulfur battery, for example, used as cathode materials for lithium sulfur battery two times, namely the long charge discharge cycle can also be to maintain a high rate capacity, cycle performance and high electrochemical stability, which makes the whole battery electrochemical performance is improved, and the carbonaceous carrier preparation mild reaction conditions, low energy consumption, low cost, easy to scale production.

【技术实现步骤摘要】
富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制法及应用
本专利技术涉及一种纳米材料，特别涉及一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制备方法及应用，属于电化学能源领域。
技术介绍
新型高能量密度、长循环寿命、绿色环保、低成本二次电池已经成为近年来储能领域研究的热点。锂硫电池由于潜在的具有高容量、高能量密度、组成元素廉价等优点而迅速引起了各国能源部门和能源企业的关注和重视，逐渐成为新一代高能量密度电池的研究重点。锂硫电池的成功产业化必将在电动汽车动力电池、智能电网及清洁能源大规模储能电池等领域产生巨大的价值。然而，由于硫的电导率低、多硫化锂溶解迁移，体积膨胀收缩等问题，目前锂硫电池实际能量密度远远低于其理论能量密度，并且循环寿命差，这些都严重阻碍了锂硫电池的产业化进程。为克服以上问题，导电碳黑、多孔碳、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、杂化碳、杂原子(氮或氧)功能碳等各种导电碳质材料被用于和纳米硫复合获得碳硫正极材料，有效改善锂硫电池的电化学性能。但是，到目前为止，锂硫电池的循环寿命仍然不能达到产业化的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、其制法及应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例中提供了一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其包括碳质内核以及包覆于碳质内核上的富氮碳壳。进一步的，所述碳质载体中N元素的含量为0.2at％～0.7at％(原子百分含量)；优选的，所述富氮碳壳中N元素与C元素的摩尔比为150:1～7:1。优选的，所述碳质内核中C元素与N元素的摩尔比为140:1～6:1。在一些实施例中提供了一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体的制法，其包括：以含氮聚合物包覆至少一种碳材料，形成具有核壳结构的前驱体；对所述前驱体进行碳化处理，形成所述富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体。在一些实施例中提供了所述富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体的应用。例如，在一些实施例中提供了一种硫碳复合材料，其包括：所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体；以及，负载于所述碳质载体上的硫；其中，所述硫碳复合材料包含50～90wt％硫(质量百分含量)。在一些实施例中提供了一种硫碳复合材料的制作方法，其包括：以含氮聚合物包覆至少一种碳材料，形成具有核壳结构的前驱体；将所述前驱体与硫均匀混合，并在保护性气氛中进行碳化处理，形成所述硫碳复合材料。在一些实施例中，也可将所述前驱体与硫均匀混合后，依次在保护性气氛中进行熔融硫扩散反应和碳化处理，形成所述硫碳复合材料。在一些实施例中提供了一种电极材料，其包含所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体或者所述的硫碳复合材料。在一些实施例中提供了一种电池正极材料，其包含所述的硫碳复合材料、导电剂和粘结剂。在一些实施例中提供了一种储能装置，其包含所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体、所述的硫碳复合材料、所述的电极材料或所述的电池正极材料。进一步的，所述储能装置包括锂电池，例如锂硫电池。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)本专利技术提供的纳米核壳结构碳质载体不但具有丰富的氮元素的掺杂量，而且具有强多硫离子物理和化学吸附能力和优异电化学稳定性，其在应用于锂硫电池，例如应用为锂硫二次电池的正极材料时，即使长循环充放电也可保持高容量、倍率循环性能和超高电化学稳定性，从而使得电池整体电化学性能得到很大的提升。(2)本专利技术利用碳纳米管和石墨烯等碳材料具有优异导电性和大比表面积等特点，以及含氮聚合物的本征功能团、交联和粘结作用，制得了所述纳米核壳结构碳质载体，工艺条件温和、节能、低耗，易规模化生产。附图说明图1a-图1b是实施例1中氮掺杂碳纳米管被聚苯胺包覆前后的扫描电镜图；图1c-图1d是实施例1中NG-NCNT@PANI材料的扫描电镜图；图2是实施例2中NCNT在包覆PANI及低温碳化前后的对比图以及NG-NCNT在包覆PANI及低温碳化前后的对比图；图3是实施例3中NCNT@NCS@S材料和NCNT@S材料在0.05C(1C＝1675mAh/g)倍率下首次充放电电压-比容量对比图；图4是实施例4中NCNT@NCS@S材料和NCNT@S材料的在0.5C倍率下首次充放电电压-比容量对比图；图5是实施例5中NCNT@NCS@S材料和NCNT@S材料在0.2C倍率下首次充放电电压-比容量对比图；图6是实施例6中NG-NCNT@NCS@S材料和NCNT@NCS@S材料在0.5C倍率下中长循环对比图；图7是实施例7中NG-NCNT@NCS@S和NCNT@NCS@S在不同充放电倍率下中循环对比图。图8是实施例8中NG-NCNT@NCS@S-500的循环伏安图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术的一个方面提供了一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其包括碳质内核以及包覆于碳质内核上的富氮碳壳。进一步的，所述碳质载体中N元素的含量为0.2at％～0.7at％(原子百分含量)。进一步的，所述富氮碳壳中N元素与C元素的摩尔比为150:1～7:1。进一步的，所述碳质内核中N元素与C元素的摩尔比为140:1～6:1。进一步的，所述碳质内核的直径为10nm～25nm，所述富氮碳壳的厚度为40nm～65nm。进一步的，所述碳质载体具有原位形成的多孔结构，其所含孔洞的孔径为4nm～30nm，比表面积为80～500m2g-1。进一步的，所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体可应用为电极材料。本专利技术的一个方面提供了一种制作所述富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体的方法，包括：以含氮聚合物包覆至少一种碳材料，形成具有核壳结构的前驱体；对所述前驱体进行碳化处理，形成所述富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体。在一些较为优选的实施例中，所述的制备方法包括：在100℃～500℃的温度条件下对所述前驱体进行碳化处理。进一步的，采用的碳化处理时间为12h～24h。本专利技术的一个方面提供了一种硫碳复合材料，其包括：所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体；以及，负载于所述碳质载体上的硫；其中，所述硫碳复合材料包含50～90wt％硫(质量百分比)。本专利技术的一个方面提供了一种制作所述硫碳复合材料的方法，其包括：以含氮聚合物包覆至少一种碳材料，形成具有核壳结构的前驱体；将所述前驱体与硫均匀混合，并在保护性气氛中进行碳化处理，形成所述硫碳复合材料。在一些实施例中，所述的制作方法还可包括：将所述前驱体与硫均匀混合后，在保气氛中依次进行熔融硫扩散反应和碳化处理，形成所述硫碳复合材料。较为优选的，所述熔融硫扩散反应的反应温度为150℃～180℃，时间为12h～24h。较为优选的，所述碳化处理温度为100℃～500℃。在一些实施例中，前述碳质内核的材料包括石墨烯、碳纳米管，碳纤维和多孔碳中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。优选的，前述碳质内核的材料包括石墨烯和/或碳纳米管。进一步的，前述碳质内核的材料选自氮掺杂碳材料，例如可优选自氮掺杂碳纳米管和/或氮掺杂石墨烯。在一些实施例中，前述含氮聚合物包括聚苯胺，聚吡咯，氨基蛋白质聚合物，聚丙烯腈，聚多巴胺，聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于包括碳质内核以及包覆于碳质内核上的富氮碳壳。

【技术特征摘要】
1.一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于包括碳质内核以及包覆于碳质内核上的富氮碳壳。2.根据权利要求1所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于：所述碳质载体中N元素的含量为0.2at％～0.7at％；优选的，所述富氮碳壳中C元素与N元素的摩尔比为150:1～7:1；和/或，优选的，所述碳质内核中C元素与N元素的摩尔比为140:1～6:1。3.根据权利要求1所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于所述碳质内核的直径为10nm～25nm，所述富氮碳壳的厚度为40nm～65nm。4.根据权利要求1所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于：所述碳质内核的材料包括石墨烯、碳纳米管，碳纤维和多孔碳中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳质内核的材料选自氮掺杂碳材料，所述氮掺杂碳材料包括氮掺杂碳纳米管和/或氮掺杂石墨烯。5.根据权利要求1所述的富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体，其特征在于所述碳质载体具有原位形成的多孔结构，其所含孔洞的孔径为4nm～30nm，比表面积为80～500m2g-1。6.一种富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体的制法，其特征在于包括：以含氮聚合物包覆至少一种碳材料，形成具有核壳结构的前驱体；对所述前驱体进行碳化处理，形成所述富氮碳壳包覆的纳米核壳结构碳质载体。7.根据权利要求6所述的制法，其特征在于包括：在100℃～500℃的温度条件下对所述前驱体进行碳化处理。8.根据权利要求7所述的制法，其特征在于：所述含氮聚合物包括聚苯胺，聚吡咯，氨基蛋白质聚合物，聚丙烯腈，聚多巴胺，聚丙烯酰胺中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述碳材料包括石墨烯、碳纳米管，碳纤维和多孔碳中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳材料选自氮掺杂碳材料，所述氮掺杂碳材料包括氮掺杂碳纳米管和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃钢，王健，蔺洪振，李宛飞，侯远，程双，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32