一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用制造技术

本发明专利技术提供了碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；所述金属醋酸盐选自Ni(CH

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用
本专利技术属于碳材料制备
，具体涉及一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用。
技术介绍
高性能可充电锂离子电池(LIBs)的需求日益增长，被广泛应用于混合动力电动汽车，便携式电子设备和大规模电力储能。然而，二维石墨材料是目前商用主要的阳极材料，多年来不足以满足下一代可充电锂离子电池发展的要求，对此，科研人员已作出很多研究努力，以解决这些问题，包括减小材料尺寸，一维纳米碳的设计包括碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)，形成多孔、空心和缺陷结构，掺杂其他元素，如磷和氮，以及提高石墨化程度，一些具有高性能纳米碳基材料已成功制备出并在电池应用中，并且表现出不错的能量密度和功率输出。然而，一维碳基锂离子电池负极材料在解决高能量密度，高功率电极的耐久性能力方面依然有所欠缺。碳纳米管作为一维纳米材料，是由原子级厚度的sp2杂化碳层卷曲而成，具有蜂窝状晶格结构，以它迷人的电子性质和在各领域潜在的应用，在能量转换和储存的研究中备受关注。到目前为止，理论和实验研究都表明，将杂原子掺入其石墨烯结构中可以有效地改变其电子结构和化学性质。在之前的研究报道中，氮掺杂碳纳米纤维，铁酞菁复合材料，都表现突出的电化学优良性能。最近几年来，人们一直在努力制备掺杂的新型碳材料，包括氮掺杂石墨烯(NG)、硼掺杂石墨烯(BG)和硫掺杂石墨烯(SG)，已经在燃料电池中表现出良好的电化学性能或者增强型场效应晶体管(FET)的导电性。掺杂导致的碳材料锂电性能提高原因是，不同掺杂原子电负性(如N:3.04，B:2.04，S:2.58)，可破坏石墨烯结构中的碳原子电中性(C:2.55)，有利于提高碳材料的放电和充电能力，而地球大气中含量78％的均为氮气，因此，探索独特的可用于高性能锂离子电池负极的氮掺杂碳管材料具有重要现实意义。目前，尽管在通过掺杂改性碳材料来提升其在锂离子电池中的性能方面已经有一些报道了，然而这些方案在实际生产制备过程中，需要繁琐的工艺步骤和设备仪器，消耗各种贵重的化学原料，使得电池成本上升，价格变高，降低了市场竞争力。传统合成手段(如弧光放电法，激光高温烧灼法以及化学气相沉积法等)制备得到的单层石墨烯市场价格在2000元/克～3000元/克，单壁碳纳米管市场价格在1500元/克～2000元/克，即使是多壁碳纳米管，价格也在500元/克～800元/克。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用，本专利技术使用廉价的化学原料为起始物，通过高温热解法，直接制备出氮掺杂的碳纳米管，成本可以降低至约1元/克，并且所述碳纳米管具有良好的电学性能。本专利技术提供了一种碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；所述金属醋酸盐选自Ni(CH3COO)2或Co(CH3COO)2，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；C)在保护性气氛条件下，将所述起始原料固体粉末进行阶段性升温煅烧，得到碳纳米管。优选的，步骤A)中，所述金属醋酸盐与含氮有机物的质量比为1:3～1:8。优选的，步骤A)中，所述加热溶解的温度为65℃～80℃，时间为2～4小时。优选的，步骤B)中，所述升温加热的温度为95℃～99℃，时间不低于6小时。优选的，步骤C)中，所述保护性气氛条件选自氩气和氮气中的一种或两种。优选的，步骤C)中，所述阶段性升温煅烧的方法为：将所述起始原料固体粉末以10～15℃/min的升温速率升温至500℃～550℃，煅烧2～3小时，得到Ni2+-g-C3N4样品粉末；将所述Ni2+-g-C3N4样品粉末以5～10℃/min的升温速率由500℃～550℃升温至700～800℃，煅烧2～3小时。本专利技术还提供了一种上述制备方法制备的碳纳米管在锂离子电池的负极中的应用。与现有技术相比，本专利技术提供了碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；所述金属醋酸盐选自Ni(CH3COO)2或Co(CH3COO)2，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；C)在保护性气氛条件下，将所述起始原料固体粉末进行阶段性升温煅烧，得到碳纳米管。本专利技术使用廉价的化学原料为起始物，通过高温热解法，直接制备出氮掺杂的碳纳米管，成本可以降低至约1元/克。氮掺杂有效提升了碳管的电导率，降低了电池的内阻值，该碳纳米管材料在大倍率充放电条件下，显示出比传统锂电池负极碳材料更高的比容量和更好的循环性能。附图说明图1为实施例1所制备的碳纳米管样品的实物照片；图2为实施例1所制备碳纳米管样品的SEM照片；图3为实施例1所制备碳纳米管样品的TEM照片；图4为实施例1所制备的碳纳米管样品的XRD图谱；图5为实施例1所制备的碳纳米管样品的拉曼图谱；图6为实施例1所制备的碳纳米管样品的EDS能谱成像图；图7为实施例1中测试碳纳米管样品材料所组装的2032型纽扣电池图；图8为实施例1所制备的碳纳米管样品组装成电池的循环伏安曲线对比；图9为实施例1所制备的碳纳米管样品在不同倍率充放电条件下的比容量；图10为实施例1所制备的碳纳米管样品在0.625A/g的电流强度下的充放电循环曲线；图11为实施例2所制备碳纳米管样品的TEM照片；图12为实施例3所制备碳纳米管样品的TEM照片；图13为实施例6制备的碳管样品的TEM照片；图14为实施例6所获得的碳管样品在不同倍率下充放电曲线；图15为实施例6所得样品在0.625A/g倍率下充放电曲线；图16为实施例6所得样品在6.25A/g倍率下充放电曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；所述金属醋酸盐选自Ni(CH3COO)2或Co(CH3COO)2，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；C)在保护性气氛条件下，将所述起始原料固体粉末进行阶段性升温煅烧，得到碳纳米管。本专利技术首先配置金属醋酸盐的水溶液。具体的，将所述金属醋酸盐溶解于水中，进行超声处理，得到金属醋酸盐的水溶液。所述金属醋酸选自Ni(CH3COO)2或Co(CH3COO)2，所述金属醋酸盐的水溶液的浓度为0.05mol/L～0.1mol/L之间。得到金属醋酸盐的水溶液后，加入含氮有机物，搅拌加热，进行溶解，得到混合溶液。其中，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素。所述加热溶解的温度为65℃～80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；/n所述金属醋酸盐选自Ni(CH

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；
所述金属醋酸盐选自Ni(CH3COO)2或Co(CH3COO)2，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；
B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；
C)在保护性气氛条件下，将所述起始原料固体粉末进行阶段性升温煅烧，得到碳纳米管。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述金属醋酸盐与含氮有机物的质量比为1:3～1:8。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述加热溶解的温度为65℃～80℃，时间为2～4小时。


4.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊，朱青，罗毅，李鑫，杨丽，陈晓露，汤乐，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34