一种高硫掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电化学储能技术领域，具体涉及一种高硫掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种高硫掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学储能
，具体涉及一种硫掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]随着化石能源枯竭和环境问题的加剧，为了保证可持续发展，新能源已成为全球的关注热点
。
包括锂离子电池和超级电容器等在内的储能器件，得到了广泛的研究
。
传统的锂离子电池尽管具有较高的能量密度，但功率密度不高，无法满足高功率输出，且循环寿命有限
。
超级电容器作为一种介于传统电容器与电池之间的新型绿色储能装置，具有非常高的功率密度和长循环寿命，但能量密度较低，也无法满足要求
。
为更好地发挥二者各自的优势并弥补其不足，近年来研究人员尝试将锂离子电池与超级电容器相结合，研发出一种全新的电化学储能器件
——
锂离子电容器
。
[0003]锂离子电容器的正极材料以活性炭为主，其负极材料也常选用碳材料，为了提高电化学性能，常使用多维复杂的多孔碳材料作为负极
。
多维复杂的多孔碳材料的孔洞可以为锂离子提供有效的扩散通道和较短的锂离子扩散距离，在锂的脱嵌过程中体积膨胀
/
收缩的机械应力较小，有利于提高循环稳定性，但当碳材料孔结构较多或分布不均，其结构稳定性会变差，可能会导致其循环稳定性变差
。
[0004]为了进一步提升碳材料的电化学性能，还采用了杂原子掺杂的技术
。
硫原子的引入不仅可以有效提高多孔碳材料的导电性和浸润性，并增大层间距，还可以通过氧化还原反应引入赝电容，提升整体容量
。
对于硫掺杂多孔碳材料的制备，大多以含硫有机物为硫源，如中国专利申请
CN108565462A、CN109830378A、CN112320784A
及
CN109704307A
均使用有机硫源，但该类方法除价格昂贵及毒性较大外，硫掺杂量也十分有限
(1.5
～
8.0wt
％
)
，而较低的硫掺杂量不利于多孔碳材料高容量和高倍率性能的发挥
。

技术实现思路

[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种硫掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，提高硫掺杂量，保证多孔碳材料的稳定性，更好的发挥其电化学性能
。
具体技术方案如下：
[0006]本专利技术的第一个方面，提供了一种高硫掺杂的多孔碳材料的制备方法，包括：
[0007](1)
取石油沥青
、
模板剂和无机硫掺杂剂混合均匀，得到混合物料，在混合物料中依次加入湿磨介质和分散剂球磨，得到浆料；
[0008](2)
将浆料加热后保温处理，再冷却至室温，得到产物；
[0009](3)
在产物中加入硅烷偶联剂，并加酸溶液浸泡后干燥，再将所得产物洗涤后加入酸溶液煮沸；
[0010](4)
洗涤并干燥步骤
(3)
中所得材料，得到硫掺杂多孔碳材料
。
[0011]具体的，步骤
(1)
中所述石油沥青
、
模板剂和无机硫掺杂剂的质量比为
1:(2
～
4):
(1
～
2)
；
[0012]具体的，步骤
(1)
中模板剂为碳酸盐，选自碳酸钙
、
碳酸锰
、
碳酸镁及碳酸钠中的至少一种；碳酸盐高温分解会产生金属氧化物和
CO2，其中滞留在孔道内部的金属氧化物可发挥模板造孔的作用，生成的
CO2气体还可充当物理活化剂，对碳骨架产生刻蚀作用，促进孔结构的形成，最终可形成丰富的孔结构；
[0013]具体的，步骤
(1)
中无机硫掺杂剂选自硫酸锰
、
硫酸镁
、
硫酸钙及硫酸锌中的一种；经过高温烧结，无机硫掺杂剂中的硫元素会在硫掺杂多孔碳内部形成
C
‑
S
键，并主要以噻吩硫
(C
‑
S
‑
C)
和氧化态硫
(C
‑
SOx
‑
C
，
x
＝2‑
4)
形式存在；
[0014]具体的，步骤
(1)
中湿磨介质为有机溶剂，选自甲醇
、
乙醇及丙酮中的至少一种，步骤
(1)
中湿磨介质的加入量为：每1～
2kg
混合物料对应加入
1L
湿磨介质；
[0015]具体的，步骤
(1)
中所述分散剂为柠檬酸
、
十六烷基三甲基溴化铵
、
甲基丙烯酸胺
、
聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基磺酸钠中的至少一种，步骤
(1)
中所述分散剂的加入量为步骤
(1)
中所述混合物料质量的
0.4
～
0.7
％；
[0016]具体的，步骤
(1)
中所述球磨转速为
1400
～
1600rpm
，球磨时间为
10
～
15h
；
[0017]更具体的，加入分散剂
、
湿磨介质并在一定转速下进行球磨的过程是为了对原料进行活化，有助于造孔和提高硫的掺杂量
。
[0018]具体的，步骤
(2)
中所述加热的温度为
700
～
1000℃
，加热时升温的速率为2～
10℃/min
，保温的时间为1～
3h
；该加热过程中，升温速率过快可能导致孔洞结构坍塌
。
[0019]具体的，步骤
(3)
中所述硅烷偶联剂为
kh550
或
kh560
中的至少一种，硅烷偶联剂能与无机材料表面的少量羟基交联或通过自交联在无机材料表面形成分子层，增强无机材料的强度和耐水性
。
[0020]具体的，步骤
(3)
中所述硅烷偶联剂的加入量为石油沥青和无机硫掺杂剂总质量的
0.5
～3％；硅烷偶联剂的加入要适量，加入过多会影响材料的电化学性能；
[0021]具体的，步骤
(3)
中所述酸溶液均选自盐酸
、
硫酸和硝酸溶液中的一种或多种，浸泡时间为3～
6h
；
[0022]具体的，步骤
(3)
中所述干燥的温度为
50
～
60℃
，干燥的时间为4～
10h
；
[0023]具体的，步骤
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高硫掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)
取石油沥青
、
模板剂和无机硫掺杂剂混合均匀，得到混合物料，在混合物料中依次加入湿磨介质和分散剂球磨，得到浆料；
(2)
将浆料加热后保温处理，再冷却至室温，得到产物；
(3)
在产物中加入硅烷偶联剂，并加酸溶液浸泡后干燥，再将所得产物洗涤后加入酸溶液煮沸；
(4)
洗涤并干燥步骤
(3)
中所得材料，得到硫掺杂多孔碳材料
。2.
如权利要求1所述的一种高硫掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中所述石油沥青
、
模板剂和无机硫掺杂剂的质量比为
1:(2
～
4):(1
～
2)。3.
如权利要求1所述的一种高硫掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中所述无机硫掺杂剂选自硫酸锰
、
硫酸镁
、
硫酸钙及硫酸锌中的至少一种
。4.
如权利要求1所述的一种高硫掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中所述湿磨介质的加入量为：每1～
2kg
所述混合物料对应加入
1L<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹琪，万紫瑶，张鑫，
申请(专利权)人：武汉中科先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：