[發明專利]一種碳納米管的制備及其在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 202010429998.2
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111777058A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 江俊;朱青;羅毅;李鑫;楊麗;陳曉露;湯樂
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 任美玲

本發明提供了碳納米管的制備方法，包括以下步驟：A)將金屬醋酸鹽的水溶液與含氮有機物混合，加熱溶解，得到混合溶液；所述金屬醋酸鹽選自Ni(CH₃COO)₂或Co(CH₃COO)₂，所述含氮有機物選自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；B)將所述混合溶液升溫加熱至溶劑揮發，得到起始原料固體粉末；C)在保護性氣氛條件下，將所述起始原料固體粉末進行階段性升溫煅燒，得到碳納米管。本發明使用廉價的化學原料為起始物，通過高溫熱解法，直接制備出氮摻雜的碳納米管，成本可以降低。氮摻雜有效提升了碳管的電導率，降低了電池的內阻值，該碳納米管材料在大倍率充放電條件下，顯示出比傳統鋰電池負極碳材料更高的比容量和更好的循環性能。

技術領域

本發明屬于碳材料制備技術領域，具體涉及一種碳納米管的制備及其在鋰離子電池中的應用。

背景技術

高性能可充電鋰離子電池(LIBs)的需求日益增長，被廣泛應用于混合動力電動汽車，便攜式電子設備和大規模電力儲能。然而，二維石墨材料是目前商用主要的陽極材料，多年來不足以滿足下一代可充電鋰離子電池發展的要求，對此，科研人員已作出很多研究努力，以解決這些問題，包括減小材料尺寸，一維納米碳的設計包括碳納米管(CNT)和碳納米纖維(CNF)，形成多孔、空心和缺陷結構，摻雜其他元素，如磷和氮，以及提高石墨化程度，一些具有高性能納米碳基材料已成功制備出并在電池應用中，并且表現出不錯的能量密度和功率輸出。然而，一維碳基鋰離子電池負極材料在解決高能量密度，高功率電極的耐久性能力方面依然有所欠缺。

碳納米管作為一維納米材料，是由原子級厚度的sp²雜化碳層卷曲而成，具有蜂窩狀晶格結構，以它迷人的電子性質和在各領域潛在的應用，在能量轉換和儲存的研究中備受關注。到目前為止，理論和實驗研究都表明，將雜原子摻入其石墨烯結構中可以有效地改變其電子結構和化學性質。在之前的研究報道中，氮摻雜碳納米纖維，鐵酞菁復合材料，都表現突出的電化學優良性能。最近幾年來，人們一直在努力制備摻雜的新型碳材料，包括氮摻雜石墨烯(NG)、硼摻雜石墨烯(BG)和硫摻雜石墨烯(SG)，已經在燃料電池中表現出良好的電化學性能或者增強型場效應晶體管(FET)的導電性。摻雜導致的碳材料鋰電性能提高原因是，不同摻雜原子電負性(如N:3.04，B:2.04，S:2.58)，可破壞石墨烯結構中的碳原子電中性(C:2.55)，有利于提高碳材料的放電和充電能力，而地球大氣中含量78％的均為氮氣，因此，探索獨特的可用于高性能鋰離子電池負極的氮摻雜碳管材料具有重要現實意義。

目前，盡管在通過摻雜改性碳材料來提升其在鋰離子電池中的性能方面已經有一些報道了，然而這些方案在實際生產制備過程中，需要繁瑣的工藝步驟和設備儀器，消耗各種貴重的化學原料，使得電池成本上升，價格變高，降低了市場競爭力。傳統合成手段(如弧光放電法，激光高溫燒灼法以及化學氣相沉積法等)制備得到的單層石墨烯市場價格在2000元/克～3000元/克，單壁碳納米管市場價格在1500元/克～2000元/克，即使是多壁碳納米管，價格也在500元/克～800元/克。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種碳納米管的制備及其在鋰離子電池中的應用，本發明使用廉價的化學原料為起始物，通過高溫熱解法，直接制備出氮摻雜的碳納米管，成本可以降低至約1元/克，并且所述碳納米管具有良好的電學性能。

本發明提供了一種碳納米管的制備方法，包括以下步驟：

A)將金屬醋酸鹽的水溶液與含氮有機物混合，加熱溶解，得到混合溶液；

所述金屬醋酸鹽選自Ni(CH₃COO)₂或Co(CH₃COO)₂，所述含氮有機物選自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；

B)將所述混合溶液升溫加熱至溶劑揮發，得到起始原料固體粉末；