[發明專利]一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110425101.3
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113381018B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 黃紅波;呂焰強;劉彩玲;馮志軍;洪箐苗;吳朝暉;朱曉鈴;王晶
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 馬莉

本發明一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料、制備方法及其應用，本發明的制備方法包括：(1)將氮源、氟源和鹽模板與去離子水混合后得到混合溶液進行強磁力攪拌，再進行冷凍和冷凍真空干燥，對其產物進行刮料磨料，最后進行高溫固相反應使其充分反應，得到樣品；(2)將步驟(1)所述樣品抽濾，真空烘干后得到活性物質，將活性物質與粘結劑PVDF和導電炭黑以及NMP溶劑混合，得到漿料涂覆到銅箔上，獲得負極；(3)將步驟(2)所述負極在真空下進行烘干，進行裁片并在手套箱中配制電解液，裝電池，并在電池制備完成后測試性能；本發明提供的氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料導電性好，比容量高，倍率性能和循環性能好。

技術領域

本發明涉及新能源材料領技術領域，具體涉及一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料、制備方法及其應用。

背景技術

由于鋰離子電池有著能量密度大、質量輕、體積小、循環性能好、環境友好和無記憶效應等優勢，被廣泛應用于電子產品、電動汽車和大規模儲能等各個領域。但鋰資源在地殼中的匱乏和分布不均等問題，不足以滿足人們對鋰離子電池日益增長的需求，這嚴重制約了鋰離子電池大規模的應用。所以，開發資源豐富、成本低廉、性能優異的新型二次電池，已經成為電池材料領域新的發展趨勢和研究熱點。

近年來，鈉和鉀離子電池受到了研究者們廣泛的關注，被認為是取代鋰離子電池成為下一代儲能電源的理想選擇，因為鈉、鉀與鋰屬于同主族元素，具有相似的物理化學性質。同時，由于鈉、鉀元素分布廣泛，資源豐富，價格低廉等優點，較為符合規模化儲能應用要求。因此，鈉/鉀離子電池做為新型儲能器件也受到了眾多研究者們的廣泛關注。但是，由于鈉和鉀離子的半徑都比鋰離子大，對能夠自由脫嵌鈉和鉀離子的電極材料的要求更加嚴格。當利用傳統的石墨負極作為鈉離子電池負極時，鈉離子嵌入與脫出時比容量較低，嚴重制約鈉離子電池的發展。雖然傳統的石墨負極能夠可逆的脫嵌鉀離子，但作為鉀離子電池負極時理論比容量僅為279mAh/g。因此，研究開發一種新的鈉和鉀離子電池負極材料顯得十分重要。

最先認為氮在碳材料以兩種形式存在，分別稱為化學態氮和晶格氮。前者容易與鋰發生不可逆反應，使不可逆容量增加，因而認為摻有氮原子的碳材料不適合作為鋰離子電池的負極材料。然而，同樣的化學氣相沉積法和同樣的原料(吡啶)，所得的結果不一樣。其充放電結果表明，隨復含量的增加，可逆容量增加，并超過了石墨的理論容量。在聚合物裂解炭中，碳材料的可逆容量也隨氮含量的增加而增加，具有高理論比容量、高化學穩定性、高導電性、低成本和充放電過程極化較小等優點。

發明內容

本發明所要解決的問題是：提供一種一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料、制備方法及其應用，本發明提供的氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料的合成其在鉀離子電池中的導電率高，比容量高，循環和倍率性能好，原材料廉價易得，制備過程簡單，操作可控度強。

本發明為解決上述問題所提供的技術方案為：一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料，所述電極材料包括一種碳材料基體以及摻雜在所述碳材料基體的氮氟原子，其中，所述電極材料比表面積為280 m2/g；所述碳材料基體為三維多孔碳。

本發明還公開了一種氮氟原子摻雜三維多孔碳的電極材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將氮源、碳源、氟源和溶鹽模板與去離子水混合后得到混合溶液進行強磁力攪拌，再進行冷凍和冷凍真空干燥，對其產物進行刮料磨料，最后進行高溫固相反應使其充分反應，得到樣品；

(2)將步驟(1)所述樣品抽濾，真空烘干后得到活性物質，將活性物質與粘結劑PVDF和導電炭黑以及NMP溶劑混合，得到漿料涂敷在銅箔上，即可得到負極；

(3)將步驟(2)所述負極進行裁片，裝電池，并在電池制備完成后測試電化學性能。

優選的，步驟（1）所述溶鹽模板為氯化鈉；所述氮源和氟源為氟化銨；碳為檸檬酸。