[发明专利]一种双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法与应用，通过在过硫酸铵的水溶液中加入SiO₂凝胶和植酸水溶液，充分分散后，在冰浴条件下将导电聚合物单体苯胺的水溶液快速混合后静置，然后将得到的混合物通过离心、洗涤等步骤充分干燥后，经高温碳化处理，随后经过氢氟酸的水溶液去掉SiO₂即得双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料。本发明根据锂、钠电池负极材料充放电循环中的特点，通过在碳材料中引入杂原子（N、P）进行双掺杂以及在碳中设计分布均匀、数量合适的孔结构，从而有效地提高储锂/钠比容量，并改进电极材料的电化学性能。本发明制备原料便宜，操作工艺简单，收率高，便于工业化生产。

技术领域

本发明涉及锂/钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法与应用。

背景技术

锂/钠离子电池具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效果、少污染以及自放电率小等优点，它在总体性能上优于其它传统二次电池，一致被认为是各种便携式电子设备及电动汽车用最为理想的电源。传统锂/钠离子电池负极材料石墨虽然循环稳定性好以及性价比较高，但是由于作为钠离子电池负极材料其充放电比容量较低，体积比容量更是没有优势，难以满足动力系统特别是电动车及混合电动车对电池高容量化的要求。因此开发具有高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂/钠离子电池负极材料极具迫切性。

在新型负极材料的研究中，硅、锡、锗等单质材料，金属氧化物以及复合金属氧化物材料因具有较高的理论嵌锂容量而越来越受瞩目。但是，这些高容量的负极材料大多电导率较低，且在高程度脱嵌锂条件下，存在严重的体积效应，造成电极的循环稳定性较差。碳材料由于拥有较轻的质量，较好的导电性，较低的嵌锂电位，脱嵌过程中体积变化小及价格低廉等诸多优点等被广泛运用在负极材料中。

最近研究者发现碳材料的电子结构、结晶结构和 亲水性可以通过杂原子掺杂来改变。与未掺杂的碳材料相比化学掺杂后的碳材料的比电容通常会提高。最近几年，磷、硫、硼、氮等元素都被用来掺杂碳材料以改善它的电化学性能。例如，磷原子的掺杂能大幅改善碳材料的比容量；氮元素的电负性（3.0)比碳元素（2.5)高，且原子直径较小，因此，经过氮元素掺杂的碳材料与锂/钠离子的相互作用更强，更有利于锂/钠离子的插入。另外，碳材料中的孔结构对其材料的物理、化学性能影响也非常大。对于锂/钠离子电池而言，多孔结构有利于电解液能充分的渗透到电极材料内部，有利于锂离子扩散。

一维碳材料最大特点是振实密度高，因此体积能量密度高，相比其它类型碳材料在电池材料领域中具有独特优势。但杂元素掺杂多孔碳纳米棒一维碳材料的合成拥有较大的技术难度。同时，杂原子的掺杂量、比例结构都对材料的电导率以及电化学性能有深远影响。发展容易工业化应用的液相合成技术制备具有双杂元素掺杂以及丰富均匀多孔结构的一维碳材料极具迫切性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法与应用，该制备方法简单，取材环保，所得负极材料导电性能佳。

一种双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法，通过在过硫酸铵的水溶液中加入SiO₂凝胶和植酸水溶液，充分分散后，在冰浴条件下将导电聚合物单体苯胺的水溶液快速混合后静置，然后将得到的混合物通过离心、洗涤等步骤充分干燥后，经由真空或保护气下高温碳化处理，随后经过氢氟酸的水溶液去掉SiO₂即得双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料。

上述双杂元素掺杂多孔碳纳米棒负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1）配置过硫酸铵水溶液，加入SiO₂凝胶和植酸水溶液，冰浴条件下超声搅拌至分散均匀，所述过硫酸铵水溶液的质量分数为1%-5%；SiO₂凝胶的添加量为苯胺质量的0.5-10倍，植酸的添加量为苯胺质量的0.5-3倍；所述的SiO₂凝胶中SiO₂的粒径为5～40nm；