一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池中的应用技术

一种氮磷氯共掺杂碳材料，氮的掺杂量为5％

【技术实现步骤摘要】
一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池中的应用


[0001]本专利技术属于碳材料的制备领域，尤其涉及一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂电池在充放电循环中，正负极极片上有电流通过时，就会有净反应发生，表明电极失去了原有的平衡状态，电极电位将偏离平衡电位，就产生了极化。锂电池极化可以分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化。极化电压是反应锂离子电池内部电化学反应的重要参数，如果极化电压长期不合理，则会导致负极锂金属析出加快，严重情况下会刺穿隔膜导致短路。根据锂电池初期实验数据，单纯依靠活性物质的导电性是不足以满足电子迁移速率要求的，为了使电子能够快速移动归位，出现了导电剂的加入。导电剂的首要作用是提高电子电导率。导电剂在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻，提高锂电池中电子的迁移速率，降低电池极化。此外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，从而提高锂电池的使用寿命。
[0003]传统的锂离子电池为一般为碳材料，但是传统碳材料导电剂的添加量高达正极材料质量的0.5％，影响了锂离子电池的能量密度，因此，随着锂离子电池的能量密度要求的提高，导电剂的用量也是越少越好。
[0004]异元素掺杂多级孔碳可以改善锂离子电池的能量密度和循环性能，但是目前的元素掺杂多级孔碳中异元素的掺杂量较低、掺杂元素单一，对锂离子电池的能量密度和循环性能改善有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池导电剂中的应用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一种氮磷氯共掺杂碳材料，所述氮磷氯共掺杂碳材料中，氮的掺杂量为5％
‑
10wt％，氯的掺杂量为7％
‑
30wt％，磷的掺杂量为7％
‑
13wt％。
[0008]上述的氮磷氯共掺杂碳材料，优选的，所述氮磷氯共掺杂碳材料的比表面积为5
‑
2500m2/g，电导率为180
‑
4*103S/m。
[0009]作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的氮磷氯共掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将PCl5和NH4Cl加入到含氯有机溶剂中进行溶剂热反应；
[0011](2)将生物质粉料加入步骤(1)后的反应产物中搅拌，对搅拌后的混合物进行离心、洗涤、干燥，得到氮磷氯共掺杂碳材料前驱体；
[0012](3)在惰性气体的保护下，将所述氮磷氯共掺杂碳材料前驱体进行高温热处理，得
到氮磷氯共掺杂碳材料。
[0013]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，溶剂热反应的温度为80
‑
200℃，反应的时间为1
‑
5h。
[0014]上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，搅拌在常温下进行，搅拌的时间为3
‑
15h；干燥为真空干燥，干燥的温度为60
‑
120℃，时间为4
‑
24h。
[0015]上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，高温热处理的温度为600～1300℃，热处理的时间为0.5～4h。进一步优选的，高温热处理的温度为1200
‑
1300℃，高温热处理的温度不可过低，否则掺杂的化学键稳定性较低，导致其电导率较低。
[0016]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述含氯有机溶剂为氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、二氯乙烷、氯乙烷、氯丙烷、氯丁烷中的一种或几种。
[0017]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，PCl5、NH4Cl、含氯有机溶剂的质量比为1
‑
3:1:0.5
‑
3；
[0018]步骤(2)中，生物质粉料和步骤(1)反应产物含氮磷氯的混合物的质量比为1：0.2
‑
2。
[0019]作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的或者由上述的制备方法获得的氮磷氯共掺杂碳材料作为锂电池导电剂在锂电池中的应用。
[0020]上述的应用，优选的，所述氮磷氯共掺杂碳材料的添加量为锂电池正极材料质量的0.005％
‑
0.015％。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0022](1)本专利技术采用氮磷氯共掺杂碳材料，氮、磷、氯共掺杂碳材料相比于传统的氮掺杂碳材料可以为离子与电子的传输提供更多优良的通道，同时具有较强的稳定性，并提高锂离子电池的能量密度和循环性能。
[0023](2)本专利技术的氮磷氯共掺杂碳材料作为导电剂，使用添加量少，添加量只占活性物质的万分之零点五，是传统导电剂用量的0.5％，相对于传统导电剂材料，活性物质占比得到了充分提高和高效的利用，能极大地提高锂离子电池的能量密度和循环性能。
[0024](3)本专利技术采用生物质材料作为碳源，创造性地将含有杂原子的溶剂和盐进行混合预反应，使杂原子化合物相互分散均匀并形成一定的弱化学键，再与生物质碳进行混合碳化，通过多种不同的杂原子掺杂改变石墨晶格结构，通过元素错位掺杂形成大量的孔隙，不用添加酸碱等刻蚀剂即可制备得到具有高电导率、高比表面积的共掺杂碳材料，杂原子掺杂量可达20％以上，制备方法简单、成本低廉，有利于实现规模化和产业化。
附图说明
[0025]图1是实施例6制备的氮磷氯共掺杂的多孔碳材料的电镜图。
[0026]图2是实施例4—7制备的氮磷氯共掺杂的多孔碳材料的吸脱附曲线图。
[0027]图3是实施例6和实施例7制备的氮磷氯共掺杂的多孔碳材料以及商业导电剂制备的锂离子电池的循环性能图。
[0028]图4是实施例6和实施例7制备的氮磷氯共掺杂的多孔碳材料以及商业导电剂制备的锂离子电池的容量图。
具体实施方式
[0029]为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。
[0030]除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。
[0031]除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0032]实施例1：
[0033]一种本专利技术的氮磷氯共掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0034](1)准确称量100g花生壳洗净、晾干、粉碎、过40目筛，得到花生壳粉备用；
[0035](2)分别称取50g的PCl5和50g的NH4Cl先后缓慢加入装有100g的二氯甲烷的水热反应釜中，120℃下搅拌反应4h，得到含氮磷氯的混合物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮磷氯共掺杂碳材料，其特征在于，所述氮磷氯共掺杂碳材料中，氮的掺杂量为5％
‑
10wt％，氯的掺杂量为7％
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30wt％，磷的掺杂量为7％
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13wt％。2.如权利要求1所述的氮磷氯共掺杂碳材料，其特征在于，所述氮磷氯共掺杂碳材料的比表面积为5
‑
2500m2/g，电导率为180
‑
4*103S/m。3.一种如权利要求1或2所述的氮磷氯共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将PCl5和NH4Cl加入到含氯有机溶剂中进行溶剂热反应；(2)将生物质粉料加入步骤(1)后的反应产物中搅拌，对搅拌后的混合物进行离心、洗涤、干燥，得到氮磷氯共掺杂碳材料前驱体；(3)在惰性气体的保护下，将所述氮磷氯共掺杂碳材料前驱体进行高温热处理，得到氮磷氯共掺杂碳材料。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，溶剂热反应的温度为80
‑
200℃，反应的时间为1
‑
5h。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌在常温下进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，阎帅，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：