[发明专利]一种改性石墨材料及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种改性石墨材料及其制备方法和用途。所述改性石墨材料包括石墨基体及包覆于所述石墨基体表面的氮掺杂多孔碳层，所述石墨基体与所述氮掺杂多孔碳层呈一体结构。采用其作为负极材料应用于锂离子电池，表现出高能量密度、高倍率性能、动力学性能优异的优势。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，涉及一种改性石墨材料及其制备方法和用途，尤其涉及一种二氧化碳改性氮掺杂锂离子电池用石墨负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

石墨是一种层状晶体，由石墨片层在范德华力作用下堆叠形成。石墨资源丰富，价格低廉，以其作为负极材料应用于锂电池表现出可逆容量高、充放电压平台低、无电压滞后、以及导电性好等优点，在锂电池行业受到广泛研究。

虽然锂离子理论上可在石墨中完全可逆嵌脱，但实际应用过程中首次循环存在容量衰减的状况，其主要原因是，石墨负极在首次嵌锂时与电解液反应生成具有锂离子导电性和电子绝缘性的钝化膜(SEI膜)。而且，由于石墨的各向异性结构限制了锂离子在石墨结构中的自由扩散，导致其倍率性能差，难以满足实际应用的要求。

通过将非碳元素掺杂到石墨中可以改变石墨的电子状态，使其更容易得电子，从而进一步增加Li的嵌入量。如CN109616640A公开了一种氮掺杂石墨化碳包覆微晶石墨微球，具有核壳结构，内核为微晶石墨微球，外壳为氮掺杂石墨化碳。制备过程为将微晶石墨通过球磨后与柠檬酸铁铵、表面活性剂及微晶石墨微球分散至水中，固液分离，得到柠檬酸铁铵包覆微晶石墨微球，柠檬酸铁铵包覆微晶石墨微球置于惰性气氛中进行煅烧处理，即得。但是，此方法属于在微晶石墨表面进行氮掺杂，氮原子的掺入增大微晶石墨表面层间距，导致所得氮掺杂微晶石墨比表面较大，活性位点较多，首效较低，不适于商业化应用。CN110980720A公开了一种氮掺杂类石墨材料，所述氮掺杂类石墨材料包含碳元素、氮元素和氧元素，其中，氮原子数量与碳原子数量比为2.5％至5.0％，所述氮掺杂类石墨材料为类石墨结构，部分氮原子与碳原子形成石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮。其制备方法以氮源材料和非石墨碳源材料作为原料，通过液相低温反应形成高氮前驱体，随后利用高温煅烧还原制备氮掺杂类石墨负极材料。但是，其以非石墨碳源作为原料进行掺杂，即使经过高温碳化后仍为硬碳，并非石墨，因此实际此篇专利是所述氮掺杂硬碳及其制备方法，其存在着低压实密度、低压实密度、高比表面等问题。

因而，有必要提供一种改性石墨材料，以解决现有技术中难以兼具高倍率性能、动力学性能优异的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种改性石墨材料及其制备方法和用途。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种改性石墨材料，所述改性石墨材料包括石墨基体及包覆于所述石墨基体表面的氮掺杂多孔碳层，所述石墨基体与所述氮掺杂多孔碳层呈一体结构。

本发明的改性石墨材料中，氮掺杂多孔碳层与石墨基体呈一体结构，由于石墨的层状结构导致锂离子只能从石墨端面进入，导致其倍率性能较差，通过在石墨表面造孔，可以使锂离子从基面的孔隙中进入石墨层间，大大提高石墨的倍率性能，石墨基体表面的多孔碳及其氮掺杂提高了石墨材料的电子导电性，采用其作为负极材料应用于锂离子电池，表现出高能量密度、高倍率性能、动力学性能优异的优势。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

优选地，所述石墨基体包括人造石墨和/或天然石墨。

优选地，所述人造石墨包括石油焦人造石墨和/或针状焦人造石墨。

优选地，所述氮掺杂多孔碳层为二氧化碳与石墨表层碳反应生成一氧化碳，一氧化碳溢出在石墨碳层表面造孔形成多孔碳，并通过氨气分解在多孔碳上进行掺杂制得。