[发明专利]一种质子化改性类石墨氮化碳材料及其制备和在锂离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明公开了一种质子化改性类石墨氮化碳材料及其制备和在锂离子电池负极材料中的应用，将g‑C₃N₄分散在含H⁺水溶液中进行水热反应，即得质子化改性g‑C₃N₄材料，g‑C₃N₄和质子化改性g‑C₃N₄材料相对石墨稳定性好，电化学活性高，作为锂离子电池负极材料使用，充放电效率极高，且具有良好的循环稳定性和高充放电比容量。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，特别涉及一种质子化改性的g-C₃N₄材料以及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着人类对化石能源的不断消耗，能源危机和环境污染问题日益加剧。化学能源的产生一方面可以减少环境污染，缓解能源紧张的问题，另一方面也为我们的生活提供了极大的便利。锂离子电池具有循环寿命长，能量密度高，无记忆效应等优势，被广泛的应用于笔记本电脑、手机等电子产品以及电动汽车领域。商业上普遍将石墨类材料作为锂离子电池的负极，电池在充放电过程中锂离子在石墨层间可逆嵌入和脱出。石墨化碳材料作为锂离子电池负极材料时，锂的插入电位在0.25V以下(相对于Li⁺/Li的电位)。按生成LiC₆化合物来算其理论比容量为372mAhg^-1。石墨类材料有一个致命的弊端，锂离子反复脱嵌后石墨片层易于剥离，破坏了电极的结构；同时，较大的片层间距也导致嵌入的锂离子聚集形成锂枝晶，造成电池短路。负极材料的性能在很大程度上影响着电池的整体性能。理想的锂离子电池负极材料应该具备以下特点：

(1)具有较高的理论比容量；

(2)材料的嵌锂电位尽量低，但不能接近金属锂的电位，避免产生锂枝同时其嵌锂电位也不能高出太多，否则不能提供较高的工作电压；

(3)锂离子在材料中能够进行高度可逆的嵌入和脱出，保持较好的循环定性和倍率性能；

(4)材料应该具有较好的热稳定性，与电解液的相容性较好，容易制备成电极；

(5)材料的制备成本要合理，且制备过程安全无毒。

纳米结构类石墨碳氮化物(g-C₃N₄)是一种吸引人的纳米材料，与其他材料相比，g-C₃N₄在基础理论研究与实际应用方面都表现出巨大的潜力，其具有独特的电子结构和优异的化学稳定性，不同结构的g-C₃N₄不仅具有高硬度，低摩擦系数和适当的化学惰性等优点，在能源转换和储存方面也表现出巨大潜力，因为它们由碳和氮组成，可以从简单的前驱体制备得到，并且制备方法简单，成本低。近年来被作为不含金属组分的催化剂和催化剂载体，广泛地应用于有机官能团的选择性转换、光催化分解水、氧还原和Au、Pd、Ag、Pt等贵金属的负载；作为硬模板剂用于H₂、CO₂的存储和纳米金属氮(氧)化物的制备；。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种稳定性好、电化学活性高的质子化改性g-C₃N₄材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、流程短、反应条件温和、成本低的制备所述质子化改性g-C₃N₄材料的方法，该方法有利于实现工业化生产。

本发明的第三个目的是在于提供一种g-C₃N₄材料或质子化改性g-C₃N₄材料作为锂离子电池负极材料的应用，将其用于制备锂离子电池负极，用于锂离子电池表现出充放电比容量高、循环性能好等优点。