一种P掺杂多孔碳-中空ZnO复合材料及在锂电池电极的应用制造技术

本发明专利技术涉及新型锂电池材料技术领域，且公开了一种P掺杂多孔碳

【技术实现步骤摘要】
一种P掺杂多孔碳
‑
中空ZnO复合材料及在锂电池电极的应用


[0001]本专利技术涉及锂电池材料
，具体为一种P掺杂多孔碳
‑
中空ZnO复合材料及在锂电池电极的应用。

技术介绍

[0002]由于能源短缺和严重的环境污染，可持续的绿色能源利用必不可少，近年来，许多研究都对可充电锂离子电池进行了研究，特别是用于便携式电子设备和电动汽车的锂离子电池等，为了满足当前的储能要求，提高锂离子电池的能量密度，性能和循环寿命是迫切需要解决的问题，在各种电极材料中，石墨因其相对较低的成本，良好的导电性和较长的循环寿命而得到最广泛的应用，但是，石墨电极材料仍然具有许多缺点，例如理论电容量低和能量密度小，因此，具有高能量密度和良好性能以满足锂离子电池要求的新型电极材料引起了研究界的广泛关注。
[0003]金属氧化物由于其低成本，高理论容量和特殊的锂存储机制，通常被认为是石墨烯电极材料的潜在替代品之一，尤其是，ZnO由于其较高理论电容量而被认为是最有前途的电极材料之一，此外，ZnO作为一种激子结合能高，带隙宽的半导体材料，也具有锂离子扩散系数高，制备简单的优点，但是，许多缺点仍然限制了它的进一步应用，例如不良的电子电导率和动力学，但尤其是由于在充电和放电周期中体积的大变化，其容量迅速下降，多孔碳作为一种无毒且高导电性的材料，通常作为一种负载体而备受关注，但其理论电容量小，单独作为电极材料的使用效果并不理想。
[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料及在锂电池电极的应用，解决了单一的ZnO电极材料导电性差以及易团聚的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，所述P掺杂多孔碳
‑
中空ZnO复合材料的制法包括以下步骤：
[0008](1)将海藻酸钠溶解在N,N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至完全溶解后，添加尿素，然后在氮气氛围下使用油浴加热后至90
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110℃后，加入磷酸，回流进行磷酸化反应，待反应结束后，过滤，产物用透析袋透析纯化，然后使用氢氧化钠调整pH至9
‑
10，重新干燥后得到磷酸化海藻酸钠；
[0009](2)将磷酸化海藻酸钠研磨充分后，置于管式炉中，在氩气氛围下进行碳化反应，然后使用氯化钠溶液洗涤，烘干后，超声分散在去离子水中，加入盐酸进行洗涤，然后再用去离子水洗涤至中性，干燥后得到P掺杂多孔碳；
[0010](3)将乙酸锌与P掺杂多孔碳超声分散在去离子水中，加入氨水调节pH至9
‑
11，密封，然后进行水热反应，待反应结束后，过滤、洗涤干燥，得到P掺杂多孔碳负载中空ZnO。
[0011]优选的，所述步骤(1)中海藻酸钠，尿素和磷酸之间的质量比为100:15
‑
40:15
‑
30。
[0012]优选的，所述步骤(1)中磷酸化反应的反应温度为140
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170℃，反应时间为2
‑
6h。
[0013]优选的，所述步骤(2)中碳化反应的温度为750
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850℃，反应的时间为1
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3h。
[0014]优选的，所述步骤(3)中乙酸锌与P掺杂多孔碳之间的质量比为200
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250:100。
[0015]优选的，所述步骤(3)中水热反应的反应温度为80
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120℃，反应时间为8
‑
12h。
[0016](三)有益的技术效果
[0017]与现有技术相比，本专利技术具备以下实验原理和有益技术效果：
[0018]该一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，以N,N
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二甲基甲酰胺为溶剂，在尿素的作用下与磷酸进行反应，对海藻酸钠进行磷酸化，在海藻酸钠表面的羟基反应，引入磷酸基团，得到磷酸化海藻酸钠，再以海藻酸钠为碳源，磷酸为磷源，在氩气氛围下进行碳化反应，得到产物使用钠盐清洗，除去钠离子，然后使用盐酸洗涤，得到P掺杂多孔碳，接着以其为负载体，乙酸锌为锌源，在碱性条件下，使用水热反应，其中，在形成ZnO过程中，释放氨气，氨气产生气
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液界面，导致颗粒定向吸附，得到P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，使用原位生长的方法得到的复合材料具有更高的导电性和电容量，且ZnO均匀的分布在多孔碳结构中，这有利于复合材料性能的进一步提升。
[0019]该一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，相对于单一的ZnO电极材料，复合材料具有更快的导电性率和更高的电容量，ZnO作为半导体材料，在形成纳米结构时，有助于锂离子的扩散，有效降低导电阻率，而且在ZnO电极材料中引入多孔碳，能够进一步提升电导率，在ZnO生长的过程中，由于多孔碳的结构，使得中空ZnO生长受到限制，进一步减小了ZnO的尺寸，提升ZnO的比表面积，增加活性位点与电解质的接触概率，而且进一步缩短了锂离子的传输距离，增加传输速率，同时为电极材料的体积膨胀提供了一定的缓冲空间，避免了电容量因电极粉化而造成的衰减，且在多孔碳结构中均匀生长也避免了ZnO的团聚行为，解决了因电极与电解质接触不足而造成的电容量低的问题，同时中空结构赋予了ZnO更高的比表面积，暴露更多的活性位点，磷原子掺杂能够提升复合材料电极的润湿性，为其提供额外赝电容，进一步提升复合材料的电化学性能。
具体实施方式
[0020]为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种P掺杂多孔碳
‑
中空ZnO复合材料，制备方法包括以下步骤：
[0021](1)将海藻酸钠溶解在N,N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌至完全溶解后，添加尿素，然后在氮气氛围下使用油浴加热后至90
‑
110℃后，加入磷酸，其中，P掺杂多孔碳
‑
中空ZnO复合材料，其中，海藻酸钠，尿素和磷酸之间的质量比为100:15
‑
40:15
‑
30，回流进行磷酸化反应，反应温度为140
‑
170℃，反应时间为2
‑
6h，待反应结束后，过滤，产物用透析袋透析纯化，然后使用氢氧化钠调整pH至9
‑
10，重新干燥后得到磷酸化海藻酸钠；
[0022](2)将磷酸化海藻酸钠研磨充分后，置于管式炉中，在氩气氛围下进行碳化反应，碳化反应的温度为750
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850℃，反应的时间为1
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3h，然后使用氯化钠溶液洗涤，烘干后，超声分散在去离子水中，加入盐酸进行洗涤，然后再用去离子水洗涤至中性，干燥后得到P掺杂多孔碳；
[0023](3)将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，其特征在于：所述P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料的制法包括以下步骤：(1)将海藻酸钠溶解在N,N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至完全溶解后，添加尿素，然后在氮气氛围下使用油浴加热后至90
‑
110℃后，加入磷酸，回流进行磷酸化反应，待反应结束后，过滤，产物用透析袋透析纯化，然后使用氢氧化钠调整pH至9
‑
10，重新干燥后得到磷酸化海藻酸钠；(2)将磷酸化海藻酸钠研磨充分后，置于管式炉中，在氩气氛围下进行碳化反应，然后使用氯化钠溶液洗涤，烘干后，超声分散在去离子水中，加入盐酸进行洗涤，然后再用去离子水洗涤至中性，干燥后得到P掺杂多孔碳；(3)将乙酸锌与P掺杂多孔碳超声分散在去离子水中，加入氨水调节pH至9
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11，密封，然后进行水热反应，待反应结束后，过滤、洗涤干燥，得到P掺杂多孔碳负载中空ZnO。2.根据权利要求1所述的一种P掺杂多孔碳
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中空ZnO复合材料，其特征在于：所述步骤(1)中海藻酸钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜祥凤，
申请(专利权)人：邳州华创新能源电池研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：