[发明专利]一种掺杂量可控的氮掺杂型碳材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种掺杂量可控的氮掺杂型碳材料及其制备方法和应用，采用离子注入技术可制备氮的掺杂量为0.1～70％的氮掺杂型碳材料，对材料进行掺杂改性不仅可以得到氮掺杂量可控且掺杂均匀的碳材料，而且使用离子注入技术还具有掺杂的元素纯净、单一；掺杂浓度不受平衡固溶度限制；掺杂元素的种类、浓度和深度皆可精确控制。本发明所采用的离子注入技术能够从掺杂杂质原子、增加表面缺陷等方面对碳材料进行改性，提升材料的电化学性能，同时有效解决化学方法制备氮掺杂碳材料时所遇到的问题，并将其应用到能源材料的锂离子电池负极材料和催化剂等领域中，从而制备出具有良好电化学性能的锂离子电池负极材料和电催化剂。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳材料的制备方法，尤其涉及一种可应用于能源材料的锂离子电池和催化剂领域中的掺杂量可控的氮掺杂型碳材料的制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展和人们需求的增长，锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低等优点而备受关注，其广泛应用于手表、移动电话、笔记本电脑、电动汽车等民用领域，同时其在卫星、潜艇、无人机等军事国防领域也发挥着巨大的作用。但目前使用的锂离子电池在能量密度、循环寿命、安全系数等方面仍有较大的提示空间，而如何得到能量密度高、循环寿命长的锂离子电池已成为研究者研究的热点问题之一。

碳材料具有比容量高、电极电位低、循环效率高，安全性好等优点而被广泛的应用于锂离子电池负极材料中。能用于锂离子电池负极的碳材料有石墨、焦炭、热解硬碳材料、石墨烯、碳纳米管、中间相碳微球、裂解聚合物和裂解碳等。但众多不同结构的碳材料具有各自的结构特点，其在电化学性能上也存在一定的缺陷与差异，从而造成碳材料作为电池负极存在电容量较低、稳定性差等问题。

为进一步提高碳材料的电化学性能，一般采取对碳材料进行改性和/或修饰的方法，其中采用最多的方法就是利用N元素掺杂入碳材料中。N掺杂一方面可以增加碳材料的结构缺陷，产生空隙，使得电池容量增加；另一方面可以与碳原子形成吡咯氮和吡啶氮，从而影响碳材料费米能级的电子态密度，扩展碳材料的带隙宽度，从而使得碳材料的电化学性能有所提升。

为了获得高电化学性能，高电容量的锂离子电池，研究者又进一步发现从以下两个方面可以有效解决上述问题：1)提高碳材料结构的表面积，增加介孔结；2)对碳材料表面进行改性，引入杂质原子。杂质原子多选用氮、硼、硫、磷等元素，其中以氮元素掺杂的研究最为普遍。这是由于氮原子大小与碳原子相当，同时含有五个价电子，可以与碳形成多种化学键。

目前，氮元素掺入碳材料的合成方法主要有几种：1)在碳材料中掺入含氮元素的化合物后进行热处理，制成掺杂型碳材料；2)将碳材料置于氨气氛围下加热的方法进行掺杂；3)化学气相沉积的方法。但上述方法均存在掺杂不可控，又受到平衡固溶度的限制，容易出现掺杂浓度较低(多数情况下不会高于15％)、在掺杂过程中易引入其他杂质原子等问题。例如，经过热处理后的氮掺杂碳材料的压实密度很低，这样制成的电池的体积容量很低。

发明内容

为克服上述问题，本发明通过采用离子注入技术制备氮掺杂碳材料。通过离子注入技术，理论上可以进行可控氮掺杂，获得不同N元素掺杂量的碳材料，例如N元素的掺杂量可以达到50％。

本发明的目的之一是提供一种掺杂量可控的氮掺杂型碳材料的制备方法。

本发明的目的之二是提供掺杂量可控的氮掺杂型碳材料的应用。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种掺杂量可控的氮掺杂型碳材料的制备方法，其特征在于，通过离子注入技术制备氮掺杂型碳材料。

根据本发明，所述采用离子注入技术制备的氮掺杂型碳材料中，氮的掺杂量为0.1～70％，优选为1～50％，更优选2-40％，还优选5-35％，还更优选15-30％。

根据本发明，所述方法包括：通过调节离子注入能量和辐照剂量，辐照所述碳材料。