[发明专利]一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法，包括以下步骤：（1）含氮酚醛树脂的制备；（2）互穿聚合物网络的制备；（3）互穿聚合物网络的碳化。本发明的优点是相比现有含氮碳纳米微球材料石墨化程度提高了，增大了比表面积，且具有明显的孔径分布，具有更加优良的容量性能、倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极碳材料技术领域，尤其涉及到一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法。

背景技术

石墨是目前商业化锂离子电池主流的负极材料，其理论充放电比容量为372 mAh/g，充放电循环性能良好，在当今科研人员不断潜心研究下，石墨负极材料的容量已经接近350-360 mAh/g；然而石墨负极仍然存在着一些缺点，如比容量偏低、表面易产生锂沉积、较低的锂离子扩散系数和部分安全隐患，因此寻求新的负极材料、调整材料结构等确保高比容量、长循环寿命、低成本和无污染的负极材料，具有重要意义。碳纳米微球作为一种传统的锂离子电池负极碳材料，其在锂电池负极材料方面的应用也甚为广泛，然而克服其容量、倍率和循环上的缺点就显得尤为关键和迫切。

经对现有技术的检索发现，Tang等人在Chem Sus Chem. 5（2012）400-403发表的论文，以聚苯乙烯纳米微球乳液为模板，对糖类单体进行水热碳化，最后形成碳纳米微球，因其涉及模板法和水热法，反应条件苛刻，实验结果不稳定，且成本偏高，同样在容量性能上也仅能达到350 mAh/g左右，储锂性能容量较低、循环性能较差；中国专利申请CN103303912B也公开了一种高比表面积多孔氮掺杂石墨化纳米碳材料的制备方法，然而其生产过程中采用酸浸法造孔，将会严重污染环境，不能大规模工业生产。

因此，如何改善反应条件，降低成本，适合其大规模的工业应用，同时又使碳纳米微球具有优良的储锂性能，将成为目前的研究重点，本发明提供一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法，在容量性能、倍率性能和循环性能上都有卓越表现。

发明内容

本发明的目的是提供一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法，旨在降低成本的同时优化锂电池负极材料的容量性能、倍率性能和循环性能。

本发明采用的技术方案如下：一种分级多孔的含氮碳纳米微球材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）含氮酚醛树脂的制备：将一定量的三聚氰胺和苯酚置于三口烧瓶中，向三口烧瓶中缓慢加入20-25ml的NaOH溶液并持续搅拌；随后缓慢加入8-15ml的甲醛水溶液，之后在60-70°C 下持续搅拌1-3h；然后加入120-160 ml的蒸馏水，在60-70°C温度下持续反应15-20h得混合溶液A；随后调节混合溶液A的pH值至8-10并转移至反应釜中，在130-160 °C温度下保温9-10 h后得产物B；最后，将产物B进行抽滤、有机溶剂清洗和干燥，得到互穿聚合物的第一网络（N-PF）；

（2）互穿聚合物网络的制备：将步骤（1）中制得的互穿聚合物的第一网络（N-PF）加入到适量的NMF溶剂中进行溶胀，随后以甲基丙烯酸甲酯（MMA）作为互穿单体、2,2-偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)作为交联剂加入到已溶胀的互穿聚合物的第一网络中混合后得混合溶液C；然后向混合溶液C通入惰性气体持续纯化0.5-2 h，随后在80-90 °C 下交联5-7 h 形成互穿聚合物第二网络(N-PF/PMMA-IPN)，最后将互穿聚合物第二网络(N-PF/PMMA-IPN)在100-120 °C 下干燥5-8 h；

（3）互穿聚合物网络的碳化：将步骤（2）所得的互穿聚合物第二网络置于真空管式炉中，通入惰性气体，在惰性气氛的条件下升温至500-800 °C并保温1-3 h，随后降温，碳化后得到最终产物含氮碳纳米微球。

优选的，所述步骤（1）中，三聚氰胺的加入量为2-4g，所述苯酚的加入量为0.8-1.0g。

优选的，所述步骤（1）中，NaOH溶液的浓度为0.05-1.5M。