[發明專利]二維層狀多孔碳材料及其制備方法和在鋰電負極材料的應用

在審

• 申請號: 202211714241.3
• 申請日: 2022-12-29
• 公開（公告）號: CN115986113A
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 劉治明;李勱;王朋;程志;田雨;何燕
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;C01B32/205;H01M10/0525
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 于超

本申請提供種一種二維層狀多孔碳材料具有極薄的二維層狀結構；多孔碳材料的空洞不均勻分布于片層及片層之間，呈不規則網絡狀；所述二維層狀多孔碳材料摻雜豐富的氮原子；所述氮原子的存在形式包括：吡啶氮、吡咯氮、Zn?N鍵和石墨氮。并創新性地采用微波法復合攪拌法，利用希夫堿COF作為前驅體制備二維層狀多孔碳的方法制備的二維層狀多孔碳材料，材料形貌顯示出超薄的二維結構；具有高導電性、連續的電子傳輸路徑，豐富的多孔結構可以充分浸潤、容納電解液，從而為電荷轉移反應提供較大的電極/電解液兩相界面，這些優點可有效提高鋰離子電池的循環性能和倍率性能。

技術領域

本申請屬于鋰電負極材料制備技術領域，具體涉及二維層狀多孔碳材料及其制備方法和在鋰電負極材料的應用。

背景技術

鋰離子電池的發展面臨的挑戰主要包括鋰枝晶的形成及相應問題、充放電過程中體積變化大等問題。在循環過程中，鋰離子成核隨著電流的變化不斷沉積形成鋰枝晶，部分枝晶發生斷裂形成“死鋰”，導致電池容量降低。枝晶繼續生長會刺穿隔膜，導致電池內部短路從而引起熱失控和電池爆炸等安全事故。

而在鋰電池循環過程中，負極材料的體積會發生巨大變化，體積的變化使SEI膜不均勻，從而導致電極上不均勻的鋰沉積，加劇了鋰枝晶的生長，且在循環過程中，較大的體積變化會引起活性材料和電極的降解，縮短電池的循環壽命。負極材料是影響鋰離子電池性能的主要因素之一，因而開發具有高比容量和長循環壽命的負極材料顯得尤為重要。

多孔碳材料由于其豐富的多孔結構、出色的導電性與較大的比表面積近年來受到研究人員們的廣泛關注。其較大的比表面積與出色的導電性可以有效加快鋰離子傳輸速度，并為電荷轉移反應提供較大的電極/電解液界面，使得鋰離子的沉積更為均勻，從而有效的減少鋰枝晶的產生。另外其豐富的多孔結構可以有效縮短鋰離子的傳輸距離，并為循環過程中電極較大的體積變化提供充足的緩沖空間，因此被研究人員視為出色的鋰離子電池負極材料之一。

但是目前多孔碳的合成方法多為硬模板法，即使用介孔氧化硅或者沸石分子篩作為硬模板，再在后續步驟中用強酸或強堿將其除去；也就是說，通過二氧化硅、沸石分子篩等硬模板與碳源充分混合后，進行高溫熱解，再將熱解后的材料利用氫氟酸等酸或強堿，將模板去除，隨后還需要對強酸或強堿處理后的材料進行洗滌、干燥等操作；由此可知，硬模板法操作步驟繁瑣耗時而且有一定的危險性，這使得多孔碳材料的制備受到了極大的限制，也在一定程度上阻礙了鋰離子電池負極材料的發展。所以有必要研究更多更高效簡便的制備多孔碳材料的方法。

有鑒于此，特提出本申請。

發明內容

為了解決上述技術缺陷之一，本申請實施例中提供了一種二維層狀多孔碳材料及其制備方法和在鋰電負極材料的應用。

根據本申請實施例第一個方面，提供了一種二維層狀多孔碳材料，具有極薄的二維層狀結構；多孔碳材料的空洞不均勻分布于片層及片層之間，呈不規則網絡狀；所述二維層狀多孔碳材料摻雜豐富的氮原子；所述氮原子的存在形式包括：吡啶氮、吡咯氮、Zn-N鍵和石墨氮。

所得的二維層狀多孔碳材料具有大量的多孔結構與較高的比表面積，可以縮短鋰離子的輸運長度，并為電荷轉移反應提供較大的電極/電解液界面，具有連續的電子路徑，提升了鋰離子電池的比容量與穩定性。

根據本申請實施例第二個方面，提供了一種二維層狀多孔碳材料的制備方法，用于制備上述二維層狀多孔碳材料；包括如下步驟：

首次采用微波加熱復合溶液攪拌法并利用希夫堿反應脫水縮合生成共價有機框架COF；

將COF的乙腈溶液與三聚氰胺、六水合硝酸鋅的水溶液通過再次微波加熱復合溶液攪拌處理混合均勻得到懸濁液A；

將懸濁液A第二次進行微波加熱并進行干燥處理后制備得到焦褐色的固體沉淀物B；

將固體沉淀物B置于焦耳加熱設備進行造孔與碳層剝離處理得到固體材料C；