[发明专利]一种元素掺杂的导电复合碳化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及柔性导电复合电极材料的制备领域，具体涉及一种元素掺杂的导电复合碳化材料及其制备方法和应用，将原细菌纤维素膜片进行化学改性，在化学化改性的细菌纤维素膜片上原位合成聚苯胺或聚吡咯，得到导电复合材料膜片，将导电复合材料膜片高温碳化处理，得到自支撑的N元素或N和S元素元素掺杂的导电复合碳化材料膜片，并用于离子电池负极材料。本发明制备的自支撑的碳化的改性细菌纤维素/聚苯胺导电纳米复合材料作为离子电池负极材料的容量高，循环稳定性好，并且具有大规模应用的潜力。

技术领域

本发明涉及元素掺杂碳化材料的制备方法领域，具体涉及一种元素掺杂的导电复合碳化材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳导电材料自从被发现起就具有广阔的发展潜力，它作为一种新型的导电材料既有良好的导电性，又具有较高的可逆容量，具有生物可降解性，在大自然中可通过微生物或纤维素酶分解成单糖等小分子物质。BC材料(细菌纤维素)可通过目前成熟的生产技术大规模的生产，价格低廉。聚苯胺是一种优良的导电高分子，合成方法简便。以细菌纤维素为模板材料，将聚苯胺通过物理化学结合在细菌纤维素的纤维表面形成聚苯胺包裹的细菌纤维素复合材料。随着对于开发高效能、高储量的储能电池材料需求日益增长，研究新型电池体系代替锂离子电池受到了广泛的关注，其中由于钾离子电池能够应用商用石墨作为负极，使其成为研究的热点。细菌纤维素作为一种近年来受到广泛关注的生物医用材料，在医疗、美容以及食品领域受到广泛的关注，在能源领域，细菌纤维素也开始受到人们的注意，其特殊的三维网络结构为离子的传递提供通道，而其特殊的碳结构也是其在新型离子电池领域受到关注的关键。目前技术中，尚无对细菌纤维素以及化学改性的细菌纤维素进行元素掺杂后制备钾离子电池的负极材料。

CN106229161A公开了一种原位含氮聚合物掺杂活性纳米碳纤维及其制备方法和用途，将细菌纤维素匀浆后，原位合成含氮聚合物，将含氮聚合物用磷酸、CO₂、KOH中的一种或两种以上作为活化剂进行活化，冷冻干燥、碳化处理得到氮掺杂活性纳米纤维素，将得到的氮掺杂活性纳米纤维素作为活性材料，按活性材料：乙炔黑：PVDF质量比为8:1:1制备成工作电极，用于超级电容器的电极材料。该方案存在以下问题：(1)得到的氮掺杂活性纳米纤维素粉末，在作为电极材料应用时，需要集电器及导电添加剂，电极材料的导电性以及导电稳定性容易受到导电添加剂的影响，不利于后续的工业化应用；(2)活性纳米纤维素在700-900℃的碳化温度下，会进一步碎化，破坏其三维网络结构，也不利于后续的电极材料制备。

发明内容

本发明提供了一种元素掺杂的导电复合碳化材料及其制备方法和应用，对电极复合材料，尤其是离子电池负极材料的应用具有重大意义。

本发明包括以下技术方案：本发明提供了一种元素掺杂的导电复合碳化材料，包括自支撑的碳化的改性细菌纤维素膜片，改性细菌纤维素膜片为三维网络结构，改性细菌纤维素膜片的纤维表面均匀包覆有元素掺杂的导电聚合物。

进一步地，改性细菌纤维素为羧酸化细菌纤维素、羧甲基细菌纤维素和磺酸化细菌纤维素中的一种。

进一步地，羧酸化细菌纤维素和羧甲基细菌纤维素的纤维表面均匀包覆有N元素掺杂的导电聚合物，磺酸化细菌纤维素的纤维表面均匀包覆有N和S元素掺杂的导电聚合物。

进一步地，所述导电聚合物为含氮导电聚合物，如聚苯胺或者聚吡咯。

一种元素掺杂的导电复合碳化材料的制备方法，包括如下步骤:

将原细菌纤维素膜片进行化学改性，在化学化改性的细菌纤维素膜片上原位合成聚苯胺或聚吡咯，得到导电复合材料膜片，将导电复合材料膜片高温碳化处理，得到N元素或N和S元素掺杂的导电复合碳化材料膜片。