[发明专利]一种氮掺杂碳纤维材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维材料技术领域，具体为采用低温热解法对碳纤维进行氮原子掺杂。

背景技术

随着各种电子产品的出现，使电化学能量储存与转化技术越来越受到世界各国的重视。锂离子电池（LIBs）具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小以及无污染等优点，已在移动设备、数字电子器件等领域获得了广泛应用。目前，商业化LIBs通常以石墨化碳作为负极材料，其理论比容量为372 mAh/g，所提供的能量密度约150Wh/kg，已不能满足对混合电动汽车、纯电动汽车的需求。因此，开发新型高比容量负极材料是发展下一代锂离子电池的关键之一。

氮掺杂碳纤维作为LIBs负极材料，具有电导率高、比容量高、循环性能稳定等优势，被认为是一种较为理想的电极材料。Qie等^[1]研究发现掺氮碳纤维的可逆比容量高达943 mAh g⁻¹，Wang等^[2]研究发现掺氮碳纤维在电流密度0.1 A g⁻¹下循环400圈之后比容量保留83.7% 。目前，常用的制备氮掺杂碳纤维的方法有化学气相沉积法^[3]、原位生长法^[4]，其多数需要较高的温度，工艺条件苛刻，不能大量制备。因此，使用廉价的氮源和碳源，开发合成工艺简单且易于大量制备杂原子掺杂的碳材料受到了各个领域的密切关注。

综上，本发明采用一种较温和、操作简单、成本低廉、易于扩大的化学工艺，制备了氮掺杂碳纤维材料。本发明旨在提供一种比容量高、循环性能和倍率性能优异的LIBs负极材料制备方法。

参考文献。

[1] Qie L, Chen W M, Wang Z H, et al. Nitrogen‐doped porous carbon nanofiber webs as anodes for lithium ion batteries with a superhigh capacity and rate capability[J]. Advanced materials, 2012, 24(15): 2047-2050。

[2] Wang H, Yuan C, Zhou R, et al. Self-sacrifice template formation of nitrogen-doped porous carbon microtubes towards high performance anode materials in lithium ion batteries[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 316: 1004-1010。

[3] Qu L, Liu Y, Baek J B, et al. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells[J]. ACS nano, 2010, 4(3): 1321-1326。

[4] Tian G L, Zhao M Q, Yu D, et al. Nitrogen‐Doped Graphene/Carbon Nanotube Hybrids: In Situ Formation on Bifunctional Catalysts and Their Superior Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution/Reduction Reaction[J]. Small, 2014, 10(11): 2251-2259。

发明内容

本发明旨在提供一种氮掺杂碳纤维的制备方法，并将其应用于锂离子电池储能领域。

本发明提供了一种氮掺杂碳纤维材料的低温制备方法，并测试材料的储锂性能，具体方法如下：

（1）将氮源（尿素、碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、三聚氰胺、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵）和碳纤维以质量比为1:（1～10）分开放入水热反应釜中，密封。

（2）在180~200℃条件下，反应5~24小时，结束后冷却至室温，得到最终产物氮掺杂碳纤维材料。

（3）将所得的氮掺杂碳纤维材料作为锂离子电池负极，测试其储锂性能。