一种多孔碳及其在锂硫电池正极中的应用的制作方法

本发明属于新能源领域，更具体地，涉及一种多孔碳及在锂硫电池正极中的应用。

背景技术：

锂硫电池由于其能量密度高，原料价格便宜，资源储存丰富，有望成为下一代新能源汽车以及其他电子产品广泛应用的低成本技术。目前在实际应用方面，锂硫电池领域主要面临的一大挑战就是硫的导电性极差，极大的阻碍了活性材料的利用，导致了低的放电比容量和低的倍率性能。

目前，各种载体材料被用于改善锂硫电池正极的导电性，包括高表面积的多孔碳材料，导电聚合物材料和一些其他导电半导体材料。其中多孔碳材料由于其导电性优异，成本不高，制备工艺简单应用最为广泛。聚丙烯酸钠是高吸水材料，其吸水干燥碳化后可形成具有孔隙的碳材料，其成本极低，导电性良好，但其孔隙无支撑，结构易坍塌，从而影响其性能，如何防止其在碳化过程中结构坍塌，增大其比表面积，具有重要的研究的意义。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明首要目的在于提供一种多孔碳，该多孔碳材料应用在锂硫电池正极中性能良好。

本发明的另一目的在于提供上述多孔碳在锂硫电池正极中的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种多孔碳，所述多孔碳是将聚丙烯酸钠加入超声处理的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，真空冷冻干燥至恒重，得聚丙烯酸钠/氧化石墨烯复合材料；然后在保护气氛下，在500～1000℃对所得复合材料进行碳化处理，再洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨制得。

优选地，所述超声的频率为20～90khz，所述超声的时间为10～120min。

优选地，所述的氧化石墨烯为本征氧化石墨烯或改性氧化石墨烯。

更为优选地，所述的改性氧化石墨烯为重氮盐改性氧化石墨烯或羧酸化改性氧化石墨烯。

优选地，所述的氧化石墨烯的尺寸为100～200000nm，所述的氧化石墨烯为1～10层。

优选地，所述的氧化石墨烯溶液的浓度为0.1～10g/l。

优选地，所述的聚丙烯酸钠的质量和氧化石墨烯溶液的体积比为1g：(0.05～1)l。

优选地，所述保护气为氮气和/或氩气。

优选地，所述碳化的时间为30～120min。

所述的多孔碳在锂硫电池正极材料领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的多孔碳以聚丙烯酸钠、水和少量氧化石墨烯为原料，成本较低，氧化石墨烯充分填充在聚丙烯酸钠中，碳化时聚丙烯酸钠的结构不会坍塌，并且氧化石墨烯经高温还原后成为导电的石墨烯，增加多孔碳的导电性和比表面积。

2.本发明中聚丙烯酸钠的的碳元素占比高，高温碳化后保留率高，并含有部分氧元素，氧化石墨烯特别是改性后的氧化石墨烯中含有s等元素，可提高多孔碳对多硫化锂和硫化锂等的吸附作用，从而提高锂硫电池的循环性能。

3.本发明的多孔碳制备简单，无有毒有害溶剂，环保高效。

附图说明

图1为实施例1所得多孔碳的能谱。

具体实施方式

为进一步阐述本发明，下面给出实施例来说明，在下属实例中，提供了本发明若干实施方式和组成，然而本发明并不局限于采用下述方式实施，本领域技术人员在理解本发明的基础上对本发明所进行的变更、替换、改进依旧属于本发明的保护范围。

本发明实施例中所述的氧化石墨烯为本征氧化石墨烯或改性氧化石墨烯。所述的改性氧化石墨烯为重氮盐改性氧化石墨烯或羧酸化改性氧化石墨烯。所述的氧化石墨烯的尺寸为100～200000nm，所述的氧化石墨烯为1～10层。

实施例1

配置浓度为0.5g/l的本征氧化石墨烯溶液超声30min，取1g聚丙烯酸钠加入到100ml氧化石墨烯溶液中搅拌，使其均匀分布，冷冻干燥至恒重，在氮气气氛下，温度为800℃加热120min，碳化完成后，洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨，即得多孔碳材料。

将多孔碳材料做为锂硫电池正极载硫的碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1c时，首次放电比容量1124.7mah/g，100周循环后放电比容量为1001.8mah/g，容量保持率为89.1％，循环性能较佳。

图1和表1分别为本实施例得到的多孔碳的能谱图和能谱图元素含量数据。从图1和表1可以看出，c的含量最高，高达84.95％，na离子的含量为0.224％，碳材料本身的钠和吸附的氯化钠彻底去除，说明碳材料成功制备，其中o含量为14.28％，对锂硫电池的循环性能具有促进作用。

表1.能谱图元素含量数据

实施例2

配置浓度为0.1g/l的本征氧化石墨烯溶液超声10min，取1g聚丙烯酸钠加入到500ml氧化石墨烯溶液中搅拌，使其均匀分布，冷冻干燥至恒重，在氮气气氛下，温度为500℃加热30min，碳化完成后，洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨，即得多孔碳材料。

将多孔碳作为锂硫电池正极载硫的碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1c时，首次放电比容量963.4mah/g，100周循环后放电比容量为810.2mah/g，容量保持率为84.0％，循环性能较佳。

实施例3

配置浓度为0.5g/l的重氮盐改性的氧化石墨烯溶液超声60min，取1g聚丙烯酸钠加入到200ml氧化石墨烯溶液中搅拌，使其均匀分布，冷冻干燥至恒重，在氮气气氛下，温度为1000℃加热60min，碳化完成后，洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨，即得多孔碳材料。

将多孔碳作为锂硫电池正极载硫的碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1c时，首次放电比容量1119.2mah/g，100周循环后放电比容量为992.5mah/g，容量保持率为88.7％，循环性能较佳。

实施例4

配置浓度为5g/l的羧酸化改性氧化石墨烯溶液超声120min，取1g聚丙烯酸钠加入到1000ml氧化石墨烯溶液中搅拌，使其均匀分布，冷冻干燥至恒重，在氮气气氛下，温度为1000℃加热60min，碳化完成后，洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨，即得多孔碳材料。

将多孔碳作为锂硫电池正极载硫的碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1c时，首次放电比容量1201.3mah/g，100周循环后放电比容量为985mah/g，容量保持率为89％，循环性能较佳。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。