一种氮磷共掺杂中空碳微球及其制备方法和应用

本发明涉及室温钠硫电池，具体涉及一种氮磷共掺杂中空碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、室温钠硫电池具有能量密度高、成本低、原材料储量丰富、原材料绿色环保等优点，展现出了巨大的发展潜力，近年来成为了备受瞩目的化学储能器件。然而，由于硫的绝缘性和低反应性以及多硫化物的“穿梭效应”和体积的巨大膨胀等问题，导致室温钠硫电池在循环性能、倍率性能和库仑效率方面存在明显的短板，实际应用受到了很大的限制。

2、因此，开发一种能够有效解决“穿梭效应”、可以适应硫体积膨胀、导电性高的正极载体材料具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氮磷共掺杂中空碳微球及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种氮磷共掺杂中空碳微球的制备方法包括以下步骤：

4、1)将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸分散在溶剂中进行共聚反应，得到羧基化聚苯乙烯微球；

5、2)将羧基化聚苯乙烯微球、可溶性锌盐和2-甲基咪唑分散在溶剂中进行反应，得到zif-8包覆的羧基化聚苯乙烯微球；

6、3)将zif-8包覆的羧基化聚苯乙烯微球置于保护气氛中进行烧结，得到氮掺杂中空碳微球；

7、4)将氮掺杂中空碳微球用磷酸溶液进行浸泡，得到磷酸改性的氮掺杂中空碳微球；

8、5)将磷酸改性的氮掺杂中空碳微球置于保护气氛中进行烧结，即得氮磷共掺杂中空碳微球。

9、优选地，步骤1)所述苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸的体积比为20～40:0.5～2:1。

10、优选地，步骤1)所述溶剂为水。

11、优选地，步骤1)中的反应原料还包括缓冲剂和引发剂。

12、优选地，所述缓冲剂为碳酸氢铵。

13、优选地，所述引发剂为过硫酸铵。

14、优选地，步骤1)所述共聚反应在温度为70℃～90℃的条件下进行，反应时间为10h～15h。

15、优选地，步骤2)所述羧基化聚苯乙烯微球、2-甲基咪唑的重量比为1:5～20。

16、优选地，步骤2)所述可溶性锌盐、2-甲基咪唑的摩尔比为1:1～5。

17、优选地，步骤2)所述可溶性锌盐为硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的至少一种。

18、优选地，步骤2)所述溶剂为甲醇。

19、优选地，步骤3)所述保护气氛为氮气气氛或氩气气氛。

20、优选地，步骤3)所述烧结的具体操作如下：以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温(25℃±5℃)升温至800℃～1000℃，再保温1h～3h。

21、优选地，步骤4)所述磷酸溶液中的溶质和溶剂的重量比为1:20～35。

22、优选地，步骤4)所述磷酸溶液中的溶剂为甲醇。

23、优选地，步骤5)所述保护气氛为氮气气氛或氩气气氛。

24、优选地，步骤5)所述烧结的具体操作如下：以8℃/min～10℃/min的升温速率从室温(25℃±5℃)升温至400℃～800℃，再保温1h～3h。

25、一种氮磷共掺杂中空碳微球，其由上述制备方法制成。

26、一种正极材料，其包含升华硫和上述氮磷共掺杂中空碳微球。

27、优选地，所述升华硫、氮磷共掺杂中空碳微球的重量比为1:0.80～1.25。

28、一种如上所述的正极材料的制备方法包括以下步骤：

29、将升华硫和氮磷共掺杂中空碳微球分散在挥发性有机溶剂中，再进行研磨至挥发性有机溶剂完全挥发，再150℃～160℃下保温10h～12h，自然冷却至室温，再置于保护气氛中200℃～300℃下保温20min～30min，即得正极材料。

30、优选地，所述挥发性有机溶剂为二硫化碳。

31、优选地，所述保护气氛为氮气气氛或氩气气氛。

32、一种室温钠硫电池，其包含上述正极材料。

33、本发明的有益效果是：本发明的氮磷共掺杂中空碳微球可以很好地适应硫体积膨胀和提供多硫化物的吸附位点以及可以促进多硫化物的快速转化，且其制备方法简单、生产成本低，将其与升华硫复合制成正极材料后再组装成的室温钠硫电池具有卓越的循环稳定性和倍率性能，适合进行大规模工业化生产和应用。

34、具体来说：

35、1)本发明的氮磷共掺杂中空碳微球的中空结构有利于硫的负载，且可以提供足够的缓冲空间来适应硫体积膨胀；

36、2)本发明的氮磷共掺杂中空碳微球中的氮磷共掺杂碳壳可以为多硫化物的吸附与转化提供活性位点；

37、3)本发明的氮磷共掺杂中空碳微球的制备方法简单、生产成本低，适合进行大规模工业化生产和应用。

技术特征：

1.一种氮磷共掺杂中空碳微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸的体积比为20～40:0.5～2:1；步骤1)所述共聚反应在温度为70℃～90℃的条件下进行，反应时间为10h～15h。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述羧基化聚苯乙烯微球、2-甲基咪唑的重量比为1:5～20；步骤2)所述可溶性锌盐、2-甲基咪唑的摩尔比为1:1～5。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述烧结的具体操作如下：以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升温至800℃～1000℃，再保温1h～3h。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤5)所述烧结的具体操作如下：以8℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至400℃～800℃，再保温1h～3h。

6.一种氮磷共掺杂中空碳微球，其特征在于，由权利要求1～5中任意一项所述的制备方法制成。

7.一种正极材料，其特征在于，包含升华硫和权利要求6所述的氮磷共掺杂中空碳微球。

8.根据权利要求7所述的正极材料，其特征在于：所述升华硫、氮磷共掺杂中空碳微球的重量比为1:0.80～1.25。

9.一种如权利要求7或8所述的正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将升华硫和氮磷共掺杂中空碳微球分散在挥发性有机溶剂中，再进行研磨至挥发性有机溶剂完全挥发，再150℃～160℃下保温10h～12h，自然冷却至室温，再置于保护气氛中200℃～300℃下保温20min～30min，即得正极材料。

10.一种室温钠硫电池，其特征在于，包含权利要求7或8所述的正极材料。

技术总结
本发明公开了一种氮磷共掺杂中空碳微球及其制备方法和应用。本发明的氮磷共掺杂中空碳微球的制备方法包括以下步骤：1)制备羧基化聚苯乙烯微球；2)制备ZIF‑8包覆的羧基化聚苯乙烯微球；3)制备氮掺杂中空碳微球；4)制备磷酸改性的氮掺杂中空碳微球；5)磷酸改性的氮掺杂中空碳微球的烧结。本发明的氮磷共掺杂中空碳微球可以很好地适应硫体积膨胀和提供多硫化物的吸附位点以及可以促进多硫化物的快速转化，且其制备方法简单、生产成本低，将其与升华硫复合制成正极材料后再组装成的室温钠硫电池具有卓越的循环稳定性和倍率性能，适合进行大规模工业化生产和应用。

技术研发人员：黄建林,张耀,欧历棋
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/16