[發(fā)明專利]超高比表面積氮磷摻雜碳材料及其應用

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• 申請日: 2022-02-09
• 公開（公告）號: CN114497510A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設計）人: 白瑩;馮鑫;吳川;吳鋒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/13
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 張群峰;錢揚保

超高比表面積氮磷摻雜碳材料及其應用。該摻雜碳材料的制備方法包括：將所述氮源、磷源以及任選的反應溶劑混合后進行聚合反應；以及將所得反應產物在保護氣氛下進行熱處理后即得電極材料。根據本發(fā)明所制備的電極材料為超高比表面積(比表面積高達2195.9m²/g)氮磷摻雜碳材料，具有優(yōu)異的電化學性能，適合應用于鋰電池。

技術領域

本發(fā)明總體涉及一種二次電池電極材料。

背景技術

為構建清潔低碳、安全高效的能源體系，這在很大程度上促進了二次電池的發(fā)展，尤其是鋰離子電池。鋰離子電池作為目前商業(yè)化最成功的電池體系，具有能量密度高、工作溫度范圍廣、壽命長等優(yōu)勢，被廣泛的應用到3C電子設備以及動力汽車等方面。鋰電池將有更加廣闊和高效的發(fā)展。

低成本、結構豐富多樣、環(huán)境友好的碳材料是目前應用最廣泛的鋰電池負極材料。研究發(fā)現，高比表面積碳材料結合豐富的孔道結構可以很好地提高鋰電池的容量和倍率性能。同時雜原子摻雜也會提供額外的活性位點進一步提高碳材料的容量。但是，高比表面積碳材料在制備方法上通常需要造孔活化劑和模板劑，并且后續(xù)處理會用到鹽酸、氫氟酸等腐蝕性試劑，因此其制備工藝具有過程復雜，操作繁瑣、環(huán)境污染、成本高、設備要求苛刻等缺陷。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種具有高比表面積的二次電池電極材料，其至少能夠克服上述某種或某些缺陷。

根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種二次電池電極材料的制備方法，包括：

提供選自由苯胺、三正丙基胺、三正丁基胺、異喹啉和喹啉所組成的組中的至少一種的氮源；

提供選自由六氯環(huán)三磷腈、三氯化磷、五氯化磷和磷酸所組成的組中的至少一種的磷源；

任選提供反應溶劑；

將所述氮源、磷源以及任選的反應溶劑混合后進行聚合反應，所述氮源中所含的氮與磷源中所含的磷的摩爾比為(23～4):1，聚合反應溫度為140～220℃，反應時間為4～8h，反應壓力為0.5～3.5MPa；

冷卻反應溶液得到固態(tài)反應產物；

將所得固態(tài)反應產物在保護氣氛下進行熱處理后即得電極材料，其中熱處理溫度為800～1600℃，時間為1～3小時。

根據本發(fā)明的方法，氮源和反應溶劑優(yōu)選由同種物質提供，例如由苯胺提供。

根據本發(fā)明的方法，磷源優(yōu)選為六氯環(huán)三磷腈。

根據本發(fā)明的方法，優(yōu)選氮與磷的摩爾比為5.5：1。

根據本發(fā)明的方法，聚合反應溫度優(yōu)選為140～180℃，最優(yōu)選為160℃左右；反應壓力優(yōu)選為1～2MPa，例如為1.5MPa。

根據本發(fā)明的方法，混合優(yōu)選采用超聲混合方式，時間可以為 1～4h，優(yōu)選1.5～2.5h，最優(yōu)選為2h。

根據本發(fā)明的方法，熱處理溫度優(yōu)選1100～1300℃，最優(yōu)選為 1200℃左右。熱處理過程中的升溫速率優(yōu)選為0.5～10℃/min，最優(yōu)選為3℃/min左右。

根據本發(fā)明的另一方面，提供了二次電池電極，其由上述方法制備的電極材料涂敷于金屬基體例如銅箔上并干燥所制成。

制備涂敷劑時可以將上述電極材料、小顆粒導電碳黑(super P) 與聚偏氟乙烯(PVDF)按照質量比為8:1:1進行混合而成。

根據本發(fā)明所制備的電極材料為超高比表面積(比表面積高達 2195.9m²/g)氮磷摻雜碳材料，具有優(yōu)異的電化學性能，適合應用于鋰電池。采用本發(fā)明的超高比表面積氮磷摻雜碳材料制成的電極片，能夠獲得放電比容量高、倍率性能好的鋰離子電池，并可實現高比容量可逆充放電。

附圖說明