[发明专利]一种氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及到一种氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料及其制备方法，以及在钠离子电池中的应用。

背景技术

随着人类科技水平迅速发展，能源及环境问题逐渐显现，绿色能源的储存及使用对新一代的能源储存器件提出了更高的要求。作为储能器件之一，钠离子电池由于钠资源丰富、成本低廉而受到广泛关注。然而，钠离子较大的离子尺寸使得适用于锂离子电池的负极材料表现出较差的储钠活性。因此，设计开发出具有低成本、高容量、优异稳定性及倍率性能的新型钠离子电池电极材料，对于钠离子电池的规模化使用具有重要意义。

硬碳材料具有较石墨更大的碳层间距，且具有较低的储钠电势，因而被认为是最具应用前景的钠离子电池负极材料。此外，对硬碳材料进行形貌调控和杂原子掺杂可显著提高其作为钠离子电池负极材料的可逆容量和倍率性能。一方面，杂原子可以提供额外的储钠位点并减小钠离子的传输阻力。另一方面，2D或3D的开放结构有利于钠离子的快速嵌入与脱出。生物质废弃物可以作为低成本、环境友好的前驱体用来制备硬碳材料。但是一般的生物质硬炭材料具有较低的杂原子掺杂量，且多为不规则的块状结构，作为钠离子电池负极材料时，表现出较差的倍率性能。因而寻求一种简单有效、成本低廉的方法来制备高性能的钠离子电池硬炭负极材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明一方面是提供一种氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料及其制备方法，该方法简单有效、成本低廉。所制备的材料由炭纳米片组成，具有微孔、介孔和大孔的分级多孔结构，具有缺陷多、炭层间距大、比表面积高、氮氧原子掺杂丰富等特点。另一方面，用该方法制备得到的氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料可用作高容量钠离子电池的负极材料，具有良好的循环稳定性及倍率性能。

本发明采用如下技术方案，一种氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料，将动物骨、鳞、壳与金属碱或金属盐混合，在250~650 °C的低温条件下热处理，然后酸洗得到该电极材料。该材料由炭纳米片组成，具有微孔、介孔和大孔的分级多孔结构，具有缺陷多、炭层间距大、比表面积高、氮氧原子掺杂丰富等特点；用作钠离子电容器负极时，具有高的可逆容量及优异的循环稳定性和倍率性能。

本发明还保护所述电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1) 将动物骨、鳞、壳放入管式炉中，在惰性气氛下以0.5~20°C min^-1的升温速率逐步加热到温度250~650 °C并保温0.5~6 h；

(2) 将步骤（1）得到的产物与金属碱或金属盐混合，混合比例为5:1~1:50。将混合物放入管式炉中，在惰性气氛下以0.5~20°C min^-1的升温速率逐步加热到温度250~650 °C并保温0.5~6h；

(3) 将步骤（2）得到的产物浸于稀酸溶液中搅拌6~24 h，然后水洗至中性，干燥后得到氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料。

本发明进一步的优选实施方式中，所述的动物骨、鳞、壳不受限于动物种类和部位，优选为牛骨、鱼鳞、螃蟹壳中的一种或几种。

本发明进一步的优选实施方式中，加热过程中升温速率为2~10 °C min^-1，保温温度为300~600 °C，保温时间为1~3h；更优选的，所述的升温速率为2~5 °C min^-1，保温温度为350~550 °C，保温时间为2~3 h。

本发明进一步的优选实施方式中，所述的金属碱为熔点较低的LiOH、NaOH、KOH中的一种或几种；所属的金属盐为熔点较低的ZnCl₂、FeCl₃中的一种或几种；混合比例为1:1~1:20。

本发明进一步的优选实施方式中，所述的金属碱为KOH；所属的金属盐为ZnCl₂；混合比例为1:2~1:5。

本发明进一步的优选实施方式中，所述的稀酸溶液为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的一种或几种，浓度为0.5~3 M；所述的溶液干燥方法为冷冻干燥或热干燥。

本发明进一步的优选实施方式中，所述的稀酸溶液为稀盐酸，浓度为1~2 M。

本发明保护一种钠离子电池负极材料，通过如下方法制备得到：将上述得到的氮氧共掺杂的分级多孔炭纳米片电极材料、导电炭黑、粘结剂按（5~10）:1:1的质量比混合均匀，加入溶剂充分研磨调制成均匀膏状物后均匀涂敷在铜箔上，然后在真空烘箱中100~120 ℃干燥10~12 h。