[發明專利]一種氮摻雜碳纖維材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710279692.1
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN106960953A
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 侯朝輝
• 申請（專利權）人: 湖南理工學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M10/0525;D06M13/432;D06M11/76;D06M11/71;D06M101/40
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技術領域

本發明屬于碳纖維材料技術領域，具體為采用低溫熱解法對碳纖維進行氮原子摻雜。

背景技術

隨著各種電子產品的出現，使電化學能量儲存與轉化技術越來越受到世界各國的重視。鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高、循環壽命長、自放電率小以及無污染等優點，已在移動設備、數字電子器件等領域獲得了廣泛應用。目前，商業化LIBs通常以石墨化碳作為負極材料，其理論比容量為372 mAh/g，所提供的能量密度約150Wh/kg，已不能滿足對混合電動汽車、純電動汽車的需求。因此，開發新型高比容量負極材料是發展下一代鋰離子電池的關鍵之一。

氮摻雜碳纖維作為LIBs負極材料，具有電導率高、比容量高、循環性能穩定等優勢，被認為是一種較為理想的電極材料。Qie等^[1]研究發現摻氮碳纖維的可逆比容量高達943 mAh g^?1，Wang等^[2]研究發現摻氮碳纖維在電流密度0.1 A g^?1下循環400圈之后比容量保留83.7% 。目前，常用的制備氮摻雜碳纖維的方法有化學氣相沉積法^[3]、原位生長法^[4]，其多數需要較高的溫度，工藝條件苛刻，不能大量制備。因此，使用廉價的氮源和碳源，開發合成工藝簡單且易于大量制備雜原子摻雜的碳材料受到了各個領域的密切關注。

綜上，本發明采用一種較溫和、操作簡單、成本低廉、易于擴大的化學工藝，制備了氮摻雜碳纖維材料。本發明旨在提供一種比容量高、循環性能和倍率性能優異的LIBs負極材料制備方法。

參考文獻。

[1] Qie L, Chen W M, Wang Z H, et al. Nitrogen‐doped porous carbon nanofiber webs as anodes for lithium ion batteries with a superhigh capacity and rate capability[J]. Advanced materials, 2012, 24(15): 2047-2050。

[2] Wang H, Yuan C, Zhou R, et al. Self-sacrifice template formation of nitrogen-doped porous carbon microtubes towards high performance anode materials in lithium ion batteries[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 316: 1004-1010。

[3] Qu L, Liu Y, Baek J B, et al. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells[J]. ACS nano, 2010, 4(3): 1321-1326。

[4] Tian G L, Zhao M Q, Yu D, et al. Nitrogen‐Doped Graphene/Carbon Nanotube Hybrids: In Situ Formation on Bifunctional Catalysts and Their Superior Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution/Reduction Reaction[J]. Small, 2014, 10(11): 2251-2259。

發明內容

本發明旨在提供一種氮摻雜碳纖維的制備方法，并將其應用于鋰離子電池儲能領域。

本發明提供了一種氮摻雜碳纖維材料的低溫制備方法，并測試材料的儲鋰性能，具體方法如下：

（1）將氮源（尿素、碳酸銨、碳酸氫銨、氯化銨、硫酸銨、硝酸銨、三聚氰胺、磷酸二氫銨和磷酸氫二銨）和碳纖維以質量比為1:（1～10）分開放入水熱反應釜中，密封。

（2）在180~200℃條件下，反應5~24小時，結束后冷卻至室溫，得到最終產物氮摻雜碳纖維材料。

（3）將所得的氮摻雜碳纖維材料作為鋰離子電池負極，測試其儲鋰性能。