[發明專利]一種用作鉀離子電池負極的氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 201911041472.0
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110797535B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 楊槐;曹亞萍;薛飛;劉韜;吳天昊;魏巍
• 申請（專利權）人: 北京大學;蘇州熱工研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 成都瑞創華盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51270
• 代理人: 鄧瑞;辜強

本發明公開了一種用作鉀離子電池負極的氮?鈷?氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法，以在液晶/環氧單體/光引發劑體系中原位合成的聚合物網絡為前驅體，采取簡單易行的碳化?摻雜方法制備得到氮?鈷?氧三摻雜的網絡狀碳材料；將氮?鈷?氧三摻雜的網絡狀碳材料作為鉀離子電池負極材料應用制作扣式電池，該網絡狀碳材料應用在鉀離子電池負極材料方面，碳材料尤其是無定形的硬碳材料，因其良好的化學穩定性、導電性、熱穩定性、低成本以及較大的晶面間距和不易擴展的碳結構等優點。

技術領域

本發明屬于一種氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料技術領域，更具體地說，尤其涉及一種用作鉀離子電池負極的氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法。

背景技術

鋰離子電池作為電化學能量存儲的典型代表，具有質量輕、能量密度高、循環壽命強和倍率性能優異等特點，在智能電網和移動電子等設備中有著越來越重要的作用，并逐漸向大規模儲能領域發展。但是鋰資源全球分布不均，且儲量有限、價格昂貴，人類未來對于大規模儲能的應用需求無法單單依靠鋰離子電池得到滿足。另一方面，規模化儲能應用的關注點是低成本，而不再是高能量密度。因此，開發資源豐富的、可替代鋰離子電池的儲能體系是非常必要的。

作為極具前景的可代替鋰離子電池的能量存儲設備，鈉離子和鉀離子電池由于廣泛的資源受到了越來越多的關注。鋰離子電池的鉀、鈉與鋰都是第一主族元素，具有相近的物理化學性質；鋰在全球含量僅為18ppm，遠遠低于鈉的22700ppm和鉀的18400ppm，鈉和鉀相對應的碳酸鹽價格也遠遠低于碳酸鋰。第二，在原子質量和半徑方面，鉀離子原子半徑雖然大于鈉離子，但是鉀離子還原電勢為-2.93V，低于鈉離子的-2.7V，與鋰離子的-3.04更為接近。因此，在理論分析上，鉀離子電池比鈉離子電池擁有更高的能量密度和放電電壓。另外，鉀離子的路易斯酸性比鈉離子弱得多，去溶劑化能力更強。因此，鉀離子電池越來越受到科研工作者們的關注。

鉀離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，都屬于“搖椅式電池”：充電時，鉀離子從正極脫出而嵌入負極，電子由外電路提供給負極以補償電荷；反之，放電時，鉀離子從負極脫出而嵌入正極，電子由外電路提供給正極以補償電荷。也就是說，鉀離子電池是通過鉀離子在電極材料之間循環往復地嵌入與脫出來實現電能與化學能的轉換與存儲。儲鉀電極材料的研究是鉀離子電池的關鍵技術，電極材料的結構與性能直接決定了鉀離子電池的電化學性能與應用前景。在負極材料方面，碳材料尤其是無定形的硬碳材料，因其良好的化學穩定性、導電性、熱穩定性、低成本以及較大的晶面間距和不易擴展的碳結構等優點，被認為是最有前景的實用電極材料之一。

目前，各類型鉀離子電池負極材料，比如石墨、氮摻雜石墨烯、普魯士藍、過渡金屬復合材料等得到了廣泛的研究應用。其中，石墨材料主要作為金屬鉀的插層化合物宿主被廣泛應用，早期的一些合成石墨插層化合物復合物（GICs）的方法包括雙區氣相合成或者堿金屬溶劑化等等，通過這類方法可以得到不同階段的金屬鉀-石墨插層化合物，通過不同階段發生的相轉變來實現石墨在鉀離子電池中的儲鉀/脫鉀過程，進而實現鉀離子電池的充電/放電過程。通過對基礎石墨材料或者碳材料進行雜元素摻雜，造成碳材料表面缺陷進而提高其活性位點，以增強其儲鉀性能以及碳材料穩定性，最終提高鉀離子電池的穩定性。

基于上述思想，本專利發明了一種新型的用作鉀離子電池負極的氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法，旨在為制備高性能的鉀離子電池提供實驗基礎和理論指導。

發明內容

本發明的目的在于提供一種所用的原料易得，制備方法簡單，操作可控性高的用作鉀離子電池負極的氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法。

本發明的目的是這樣實現的：氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料的制備方法——首先，在液晶/環氧單體/光引發劑體系中原位合成尺寸均一的聚合物網絡；再者，以合成的聚合物網絡為前驅體、采取簡單易行的碳化-摻雜方法制備氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料；最后將氮-鈷-氧三摻雜的網絡狀碳材料作為鉀離子電池負極材料應用制作扣式電池。