[发明专利]一种用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料技术领域，公开了一种用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管及其制备方法和应用。该方法包括步骤：将油渣类衍生物置于盐酸溶液中搅拌混合；再置于反应釜中水热，用去离子水和乙醇洗涤水热产物，再干燥；然后再和钾源、铁源及氮源的物质进行混合，在氮气保护的管式炉中煅烧，随炉冷却至室温；最后用稀盐酸和去离子水洗涤活化样品，再干燥，得到碳化铁/氮掺杂中空碳微管。本发明方法制备工艺简单，条件温和，适合规模化工业生产；将块状油渣类衍生物可控制备为中空碳微管材料，且具备良好的电化学性能，具备高的倍率性能且在高负载量条件下表现出高的面容量。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管及其制备方法和应用。

背景技术

由于动力电池在电动汽车和便携式电子器件的不断增长的需求，已经激发了大量的兴趣在研究高性能能量存储装置。在能量存储装置中，锂离子电池作为电池中的典型代表，是现有的一种最为成熟且大规模应用的能量存储装置。截止2018年底，中国已投运储能项目累计装机规模31.3GW,占全球市场总规模的17.3％，除了占绝对比例的抽水蓄能外，电化学储能累计装机规模列第二，为1072.7MW；而在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为758.8MW。在电池中，离子在电极活性组分的方式是嵌入/脱嵌 (发生氧化还原)，因而表现出很高的能量密度(100Wh/kg)。但是，由于大多数电极材料缓慢的固态离子扩散动力和低的电化学导电性，电池中的充放电倍率较低，导致小的功率密度。但是，如何提升锂离子电池的倍率性能是摆在科技工作者面前的重要问题。

目前，由于石墨负极的高导电性、高的堆积密度、好的循环稳定性，因此大多数负极还是使用石墨。但是，石墨的倍率性能却不能够让人满意，在高电流密度下，石墨的容量表现的很低，这让锂电在高倍率应用上受限。另一方面，虽然现在很多论文已经报道过锂电的高比容量(1000mAh/g)，但是却很少有论文关注材料的负载量。通常这种报道的高比容量的电极材料都是纳米材料，这些纳米材料一般都不利于扩大生产，尤其是在高负载量下不利于离子的扩散。一般文献报道的负载量都很低(1.5mg/cm²)，如何获得适用于高负载量(10mg/cm²)的电极材料仍然是该领域亟需解决的难题。此外，对于制备的电极材料，大多数复杂结构的纳米材料制备非常繁琐，带来大量的能量损耗和成本提高。因此，如何通过简易、低成本的方法构建制备电极材料并应用在高倍率和高负载型锂离子电池中仍是一个亟待探索和解决的领域。

发明内容

为了克服现有技术中存在的锂离子电池的低倍率性能及高负载量下的能量存储较低的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管，其结构为碳化铁原位包裹在油渣衍生物的中空碳微管中。

本发明的另一目的在于提供上述高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将油渣类衍生物进行机械粉碎并干燥至恒重，得到油渣粉末；

(2)对步骤(1)所得油渣粉末进行酸溶液辅助水热碳化，得到中间产物；

(3)将中间产物与活化剂混合活化，得到用于高倍率锂离子电池存储的碳化铁/氮掺杂中空碳微管。

步骤(1)中所述油渣类衍生物为花生油渣、菜籽油渣和大豆油渣中的一种以上。