[发明专利]二维多孔氮掺杂碳及其制备方法和在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种二维多孔氮掺杂碳及其制备方法和在锂离子电池中的应用，本发明提供的二维多孔氮掺杂碳的熔盐辅助制备方法，将碳源、氮源和熔盐混合，高温熔融盐作为液相反应介质，惰性气氛下煅烧得到二维多孔氮掺杂碳；氮掺杂能够提供更多的活性位点，改善材料的浸润性；高温熔融盐能对碳产物进行刻蚀作用并引入孔道结构，盐的模板效应利于控制二维多孔氮掺杂碳的形貌。采用上述方法制备得到的二维多孔氮掺杂碳，为微米级薄片，形貌可控，这种薄的二维结构缩短了离子传输距离，丰富的孔道结构为电解液离子提供了方便的传输通道，氮掺杂能够提高材料在锂离子电池中的比容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，涉及一种二维多孔氮掺杂碳及熔盐辅助制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

纵览全球，推广应用新能源汽车已成为不可逆转的趋势，很多国家已经陆续公布燃油车禁售倒计时，这势必带来动力电池产能需求旺盛和推动地区锂电池产业迅速发展。中国颁布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出到2020年电池单体比能量超过300Wh/kg，系统比能量达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下，大致相当于150美元/kWh，日本在100美元/kWh，美国要求是90-125美元/kWh，欧洲是120美元/kWh，与油电平价目标的100美元/Wh均十分接近，亦即各国政策要求到2020年左右电动汽车要实现和燃油车相近的性价比水平。一系列的举措促进行业技术升级、产能优化，政府补贴退坡敦促全产业链降低成本。

目前，商业锂离子电池采用石墨作负极，理论比容量仅为372mAh/g，难以满足对高功率动力电池及大规模储能的需求。基于此，新型的高性能碳材料成为人们的研究重点，对碳材料进行掺杂改性是提高碳材料的存储容量的一种很好的方式。中国专利文献CN108511200A公开一种具有良好储能性能的氮掺杂碳片材料，预先称量一定量的草酸钾和尿素，球磨混合之后在氩气气氛下程序升温至900℃煅烧，用盐酸溶液多次离心洗涤之后得到边缘有褶皱的片状产物，但该方法程序升温复杂，所需时间长。中国专利文献CN107583665A公开一种二维多孔氮掺杂碳的制法及其用途，所述的材料是以生物质草莓果肉制得的碳气凝胶为碳源、三聚氰胺为氮源，依次采用水热和热解方法处理得到氮掺杂碳片，表面含有大量的褶皱和微孔，虽采用原位模板法，避免后续去除模板等步骤，但是整个制备过程仍很复杂。与其他复杂氮掺杂方法相比，本发明采用一步熔盐辅助法，碳源和氮源混合热解，少量熔盐作为模板，调控二维多孔氮掺杂碳材料的形貌及结构，且熔盐可以回收，工艺过程简单、绿色环保。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种二维多孔氮掺杂碳的制备方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种二维多孔氮掺杂碳的制备方法，包括以下步骤：将碳源、氮源和熔盐按照一定比例混合均匀，于惰性气氛中高温煅烧，得到二维多孔氮掺杂碳。

进一步地，所述碳源、氮源和熔盐混合物的制备方法，包括以下步骤：

在手套箱中称量碳源、氮源和熔盐，在研钵中充分研磨使原料混合均匀，优选地，所述研磨时间为20-50min。

进一步地，将煅烧后的产物进行清洗和干燥，熔盐进行回收，得到二维多孔氮掺杂碳；

优选地，所述清洗时采用超纯水洗涤，第一次离心后将上层清液蒸发回收熔盐，底部沉淀用质量分数为10-20％的稀盐酸浸泡而后采用超纯水和无水乙醇洗涤或者直接多次用超纯水和无水乙醇洗涤；

优选地，所述干燥温度为60-100℃，所述干燥时间为8-12h。

进一步地，所述碳源、氮源和熔盐的质量比为1：0.5-4：3-30，优选为1：0.5-2：3-10。

进一步地，所述碳源为葡萄糖、果糖、蔗糖、木质素、纤维素中的一种；

所述氮源为三聚氰胺、尿素、双氰胺中的一种；