[發明專利]一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202210129876.0
• 申請日: 2022-02-11
• 公開（公告）號: CN114455569B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 周國偉;董旭晟;趙瑞正;孫彬;高婷婷;李華鵬
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/054;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明屬于鉀離子電池技術領域，涉及一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片及其制備方法與應用。將過渡金屬硝酸鹽與六亞甲基四胺在乙醇溶液中通過氫鍵作用形成金屬六胺框架前驅體，將金屬六胺框架前驅體在惰性氣氛下進行熱解獲得N/C前驅體，將N/C前驅體與次磷酸鈉在惰性氣氛下進行加熱磷化處理，冷卻后即得。本發明通過摻雜磷構建具有足夠缺陷和邊緣位點的N摻雜碳材料，實現較高的活性N比例，提高鉀的存儲性能，同時能夠以經濟高效的方法得到具有電導率高、倍率性能好，循環穩定性強的先進電極材料。

技術領域

本發明屬于鉀離子電池技術領域，涉及一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片及其制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

氮原子摻雜是提高碳質材料作為鉀離子電池負極材料的儲鉀性能的有效方法之一，可以有效地調整表面官能團、局部電子結構和化學性質，提高電子電導率、電解質潤濕性并產生更強的儲鉀活性位點以提高儲鉀性能。發明人研究發現，N缺陷位點的類型(吡啶-N、吡咯-N或石墨-N)在儲能裝置中起著關鍵作用，摻雜碳的活性N含量可能決定其反應特性。與石墨-N相比，吡啶-N和吡咯-N在能量上更有利于離子存儲，因為它們可以誘導足夠的缺陷，提供更多的活性位點，提高反應性和電子導電性。而目前氮原子摻雜的碳質材料具有的缺陷和邊緣位點較少，使得活性氮比例較低，因而使得氮原子摻雜的碳質材料鉀的存儲性能有待提高。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片及其制備方法與應用，通過摻雜磷構建具有足夠缺陷和邊緣位點的N摻雜碳材料，實現較高的活性N比例，提高鉀的存儲性能，同時能夠以經濟高效的方法得到具有電導率高、倍率性能好，循環穩定性強的先進電極材料。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片的制備方法，將過渡金屬硝酸鹽與六亞甲基四胺在乙醇溶液中通過氫鍵作用形成金屬六胺框架前驅體，將金屬六胺框架前驅體在惰性氣氛下進行熱解獲得N/C前驅體，將N/C前驅體與次磷酸鈉在惰性氣氛下進行加熱磷化處理，冷卻后即得。

本發明制備的磷摻雜的富氮多孔碳納米片(P-N/C)具有二維多孔結構，且該二維多孔結構具有較大的層間距、豐富的孔缺陷和邊緣，可以有效地減少K⁺擴散距離并促進K⁺擴散動力學。同時，通過額外的P摻雜，P-N/C負極具有更大的比表面積、優越的電導率和更高的吡咯-N和吡啶-N含量，不僅可以暴露更多可接近的活性位點，增加界面K⁺吸附反應，而且還能加速電子傳遞，促進循環過程中的電荷轉移動力學，展現出優異的電化學性能。

另外，本發明經過研究發現，過渡金屬硝酸鹽中陰離子影響材料的形貌結構，采用硝酸鹽時能夠獲得本發明所述的形貌結構。

另一方面，一種磷摻雜的富氮多孔碳納米片，由上述制備方法獲得。本發明制備的P-N/C具有二維多孔結構、大的比表面積、獨特的磷摻雜氮富余的結構體系以及出色的電子電導率和更多的活性位點，這些特性通過其出色的協同效應而表現出優異的電化學性能。

第三方面，一種上述磷摻雜的富氮多孔碳納米片在鉀離子電池中的應用。尤其是在鉀離子電池負極中的應用。

第四方面，一種鉀離子電池負極，包括集流體和活性成分，所述活性成分為上述磷摻雜的富氮多孔碳納米片。

第五方面，一種鉀離子電池，包括上述鉀離子電池負極、對電極、隔膜及電解液。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

(1)本發明選用過渡金屬硝酸鹽和六亞甲基四胺(HMT)在乙醇溶液中通過氫鍵作用形成具有特殊結構的金屬六胺框架前驅體。