一种碳基复合材料和锂离子电池制造技术

本发明专利技术属于电池负极材料技术领域，尤其涉及一种碳基复合材料和锂离子电池。本发明专利技术碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆二维层状石墨氮化碳的炭；碳基复合材料通过二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。本发明专利技术碳基复合材料为多孔结构，具有高的比表面积，该碳基复合材料导电性好，二维层状石墨氮化碳表面的炭对g‑C3N4起连接和支撑作用，能够有效缓解体积膨胀，该碳基复合材料作为锂离子电池的负极材料可以增大电极/电解质接触面积，同时缩短锂离子扩散距离，从而促进锂离子的加入，并能够提高储锂能力，使得锂离子电池比容量高、充放电快速、循环寿命长。

A Carbon Matrix Composite Material and Lithium Ion Battery

【技术实现步骤摘要】
一种碳基复合材料和锂离子电池
本专利技术属于电池负极材料
，尤其涉及一种碳基复合材料和锂离子电池。
技术介绍
三十年来，锂离子电池由于具有高能量密度、高库伦效率、无记忆效率、长循环寿命和绿色无污染等优点，在各种便携式数字产品的不断增长的需求和工业领域中受到广泛的关注。众所周知，无论从成本、寿命、能量密度还是安全性方面，负极对锂离子电池都是至关重要的。目前，实际商业锂离子电池的负极材料大多是石墨类碳材料，然而石墨作为锂离子电池的负极材料由于具有低的理论容量(372mAh/g)和缓慢的锂离子扩散性(小于10-6cm2/s)，无法满足快速升级的便携式电子设备和电动汽车的不断增加的功率需求。而具有非凡电化学性能的氮掺杂碳为开发用于下一代高性能可再充电锂离子电池的高功率和高能电极材料提供了极具吸引力的前景。石墨氮化碳(g-C3N4)是近年来新兴的一种碳材料，其由碳和氮的单原子进行sp2杂化形成，具有独特的平面结构，具有良好的电学、光学和物理化学性质，且制备工艺简单、成本低，作为锂离子电池的负极材料具有较高的理论比容量(1165.7mAh/g)和高稳定性，是一类非常具有前景的负极材料。然而，g-C3N4材料为半导体，导电性极差，直接作为锂离子电池的负极材料具有局限性，例如Yang等人(ActaChimicaSinica,2009.67(11):p.1166-1170)研究了g-C3N4作为负极材料的电化学性能，发现g-C3N4负极材料的初始放电容量低，只有134mAh/g，在7个循环之后不可逆容量损失高达90％。Veith等人(ChemistryofMaterials,2013.25(3):p.503-508.)发现g-C3N4中存在大量石墨氮会导致高的不可逆容量损失。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种碳基复合材料和锂离子电池，用于解决石墨氮化碳材料为半导体，导电性极差，直接作为锂离子电池的负极材料具有局限性的问题。本专利技术的具体技术方案如下：一种碳基复合材料，碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆所述二维层状石墨氮化碳的炭；所述碳基复合材料通过所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。优选的，所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解具体包括：将所述二维层状石墨氮化碳与所述含碳有机物在氮气和/或惰性气氛下，进行原位热解反应。优选的，所述原位热解反应的升温速率为2℃/min～10℃/min；所述原位热解反应的温度为600℃～900℃；所述原位热解反应的时间为2h～4h。优选的，所述二维层状石墨氮化碳与所述含碳有机物的质量比为1：0.25～2；所述含碳有机物选自葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、淀粉、沥青、酚醛树脂、聚乙二醇和抗坏血酸中的一种或多种。优选的，所述在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭具体包括：将所述二维层状石墨氮化碳与催化剂进行混合，通入含碳有机气体，进行化学气相沉积，再除去所述催化剂。优选的，所述催化剂为金属氧化物；所述含碳有机气体选自甲烷、乙烷、乙烯和乙炔中的一种或多种；所述含碳有机气体的流速为2L/min～4L/min。优选的，所述化学气相沉积的升温速率为2℃/min～10℃/min；所述化学气相沉积的温度为600℃～800℃；所述化学气相沉积的时间为2h～4h。优选的，所述将所述二维层状石墨氮化碳与催化剂进行混合具体为：将所述二维层状石墨氮化碳与所述催化剂进行球磨混合；所述球磨混合的转速为400rpm～600rpm，所述球磨混合的时间为3h～8h。优选的，所述除去所述催化剂具体为：采用酸洗除去所述催化剂；所述酸选自盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。本专利技术还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极材料包括上述技术方案所述碳基复合材料。综上所述，本专利技术提供了一种碳基复合材料，碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆所述二维层状石墨氮化碳的炭；所述碳基复合材料通过所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。本专利技术碳基复合材料为多孔结构，具有高的比表面积，该碳基复合材料导电性好，二维层状石墨氮化碳表面的炭对g-C3N4起连接和支撑作用，能够有效缓解体积膨胀，该碳基复合材料作为锂离子电池的负极材料可以增大电极/电解质接触面积，同时缩短锂离子扩散距离，从而促进锂离子的加入，并能够提高储锂能力，使得锂离子电池具有高比容量、快速充放电、长循环寿命等优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例1所制备的二维层状石墨氮化碳的XRD图图2为本专利技术实施例2所制备的二维层状石墨氮化碳和碳基复合材料的拉曼图；图3为采用本专利技术实施例3碳基复合材料作为负极材料的电池在循环50圈后的比容量-电压图；图4为采用本专利技术实施例4碳基复合材料作为负极材料的电池的循环图；图5为采用对比例1二维层状石墨氮化碳作为负极材料的电池的放电曲线图；图6为采用对比例2碳基复合材料作为负极材料的电池的放电曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种碳基复合材料和锂离子电池，用于解决石墨氮化碳材料为半导体，导电性极差，直接作为锂离子电池的负极材料具有局限性的问题。下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种碳基复合材料，碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆二维层状石墨氮化碳的炭；碳基复合材料通过二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。本专利技术实施例碳基复合材料为多孔结构，具有高的比表面积，比表面积为500m2/g～650m2/g，该碳基复合材料导电性好，二维层状石墨氮化碳表面的炭对g-C3N4起连接和支撑作用，能够有效缓解体积膨胀，该碳基复合材料作为锂离子电池的负极材料可以增大电极/电解质接触面积，同时缩短锂离子扩散距离，从而促进锂离子的加入，并能够提高储锂能力，使得锂离子电池具有高比容量、快速充放电、长循环寿命等优点。本专利技术实施例通过二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应或在二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到碳基复合材料，制备方法工艺简单，生产成本低。本专利技术实施例中，二维层状石墨氮化碳在碳基复合材料中的质量分数为30％～50％，优选为30％～40％，更优选为50％；炭在碳基复合材料中的质量分数为50％～70％，优选为60％～70％，更优选为50％。本专利技术实施例中，将含碳氮前驱体进行热聚反应制备得到块状g-C3N4，块状g-C3N4的比表面积为40m2/g～80m2/g，优选将块状g-C3N4进行研磨粉碎得到粉末状g-C3N4，热聚反应优选在马弗炉或管式炉中进行，再将块状g-C3N4通过超声分散在无水乙醇中搅拌，使得块状g-C3N4超声剥离得到二维层状石墨氮化碳。更具体的，二维层状石墨氮化碳通过如下制备方法得到：将尿素或三聚氰胺置于带盖子坩埚中放入马弗炉中，以2.5℃/m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基复合材料，其特征在于，碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆所述二维层状石墨氮化碳的炭；所述碳基复合材料通过所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。

【技术特征摘要】
1.一种碳基复合材料，其特征在于，碳基复合材料包括二维层状石墨氮化碳和包覆所述二维层状石墨氮化碳的炭；所述碳基复合材料通过所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解反应得到或通过在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭得到。2.根据权利要求1所述的碳基复合材料，其特征在于，所述二维层状石墨氮化碳与含碳有机物原位热解具体包括：将所述二维层状石墨氮化碳与所述含碳有机物在氮气和/或惰性气氛下，进行原位热解反应。3.根据权利要求2所述的碳基复合材料，其特征在于，所述原位热解反应的升温速率为2℃/min～10℃/min；所述原位热解反应的温度为600℃～900℃；所述原位热解反应的时间为2h～4h。4.根据权利要求2所述的碳基复合材料，其特征在于，所述二维层状石墨氮化碳与所述含碳有机物的质量比为1：0.25～2；所述含碳有机物选自葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、淀粉、沥青、酚醛树脂、聚乙二醇和抗坏血酸中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的碳基复合材料，其特征在于，所述在所述二维层状石墨氮化碳表面化学气相沉积炭具体包括：将所述二维层状石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全兵，毛素华，李俊豪，冯格格，党海峰，党岱，杨伟，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44