[發明專利]一種碳氮復合物空心材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201611191509.4
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106784687A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 范鏡敏;董全峰;鄭明森;李藝娟
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/587;H01M10/0525;H01G11/24;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司35204
• 代理人: 張松亭,陳淑嫻

技術領域

本發明屬于能源材料制備的技術領域，特別涉及儲能電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

當今社會，隨著化石能源的日漸枯竭及其引發的能源環境危機等，促使人們迫切地尋求和開發利用風能、太陽能和核能等可再生清潔能源。此外，隨著便攜式電子產品的日益普及，以及以電動車為代表的新能源產業的蓬勃發展，為儲能器件的研究應用提供了前所未有的發展機遇，同時對儲能器件的性能也提出了非常高的要求。鋰離子電池是目前儲能體系的研究熱點之一，其具有能量密度大、自放電效率低、工作溫度范圍寬、循環穩定性好、沒有記憶效應、對環境友好等諸多優點，其應用已涉及到生產、生活的各個方面，在目前的二次電池市場上占有絕對的優勢。但其成本相對較高，且在安全性方面存在著隱患，主要表現在大功率充放電會引起內部溫度過高，另外，組裝條件苛刻，需要對水和氧氣進行嚴格的控制。在如此形勢下，在與時俱進的應用需求和高速發展的科學技術的雙重推動下，超級電容器(電化學電容器)順應時代發展要求，成功進入人們視野，成為了近年來又一個新的研究熱點。作為一種高效、環保、相對新型的儲能元件，超級電容器兼具傳統電容器與電池的許多優點，其具有的超高的功率密度是其他所有電化學儲能器件所不具備的特性，因而在消費電子、軌道交通、航空航天、軍事、國防等領域均具有廣闊的應用空間和發展前景，在世界范圍內引起了極大關注，成為能源領域重要的前沿技術之一。

電極材料是儲能器件的主要組成部分，是決定其性能的關鍵因素，有關電極材料的制備及性能方面的研究一直是儲能領域的研究重點。進入21世紀以來，納米材料與科技的發展日新月異，一些新的材料被用作儲能電極材料以改善其性能，已取得了一系列令人欣喜的成果。在諸多被用作儲能電極的材料中，以碳材料(如：活性炭、碳納米管、碳纖維、碳氣凝膠、石墨烯等)的應用最為廣泛和成熟。近年來，含氮碳材料以及碳氮化合物材料以其獨特的機械、光學、電子、儲能性質及其作為超硬材料的前驅體、選擇性地吸附小顆粒有機分子、作為催化劑和燃料電池中電催化劑載體等潛在應用而備受關注。

發明內容

本發明的目的是制備一種新型的碳氮復合物空心材料以用于對稱型鋰離子電池(超級電容器)、高容量和超高倍率鋰離子電池等，并且具有高比容量、高倍率性能和良好循環穩定性。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

一種碳氮復合物空心材料的制備方法，包括以下步驟：

1)提供或制備模板化合物，所述模板化合物為含有Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Nb，Mo，Y，Zr，Ru，Rh，Pd，Ag，Cd，Sn，W，Os，Ir，Pt，Au，Hg，Mg，Al，Ca，In元素的氧化物、氫氧化物以及不溶性金屬鹽中的一種或多種；

2)將步驟1)所述模板化合物分散于溶劑A和溶劑B形成的混合溶液中，加入由含有碳和氮的有機化合物溶解于溶劑C中形成的配體溶液進行反應，反應完成后自然冷卻至室溫，離心分離洗滌得到前驅體，所述有機化合物為C_aH_bO_cN_dS_f的化合物中的至少一種，其中a、b、c、d和f分別為整數，a≥1，b≥0，c≥0，d≥1，f≥0且b、c、f不全為0；

3)將所述前驅體在300-1500℃、中性或還原性氣氛下進行熱解，之后在酸性條件下除去氧化物雜質，得到所述碳氮復合物空心材料。

優選的，所述模板化合物通過水熱法、共沉淀法、水解法或熱解法制備，或者商業購買。

優選的，所述溶劑A、溶劑B和溶劑C分別為水、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、環己烷、正己烷、二甲基亞砜、異丙醇、丙三醇、丁醇、N,N-甲基甲酰胺、乙二醇、苯甲醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、碳酸乙烯酯、碳酸甲酯等中的一種或多種。

優選的，步驟3)中，所述氣氛為氮氣、氬氣、氦氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、乙炔、二氧化碳氣體中的一種或多種。

優選的，步驟3)中，所述酸性條件所用的酸為鹽酸、硫酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸、氟硼酸中的一種或者多種。

優選的，所述合成前驅體的反應溫度為0-300℃。所述合成前驅體的反應時間為0.01-100小時。

本發明還提供了由上述方法制備的碳氮復合物空心材料。

上述碳氮復合物空心材料可應用于鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池或鋰空氣電池。

本發明具有以下優點：

一、本發明方法簡單，操作簡便，溫度低，后處理簡單，設備要求簡單，成本適中，適合大規模生產；