一种含镍掺杂多孔碳的碳片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，公开了一种含镍掺杂多孔碳的碳片及其制备方法与应用，通过在多孔碳纳米片中掺杂镍元素和氮元素，增强多孔碳纳米片材料的韧性，同时，掺杂的氮元素和镍元素可以形成协同作用，进一步增强多孔碳纳米片的导电性，因此可以有效地避免多孔碳纳米片在连续充放电过程中，钠离子连续脱嵌/嵌入产生的体积膨胀，进而发生结构塌陷的现象，从而实现了增强钠离子电池循环稳定性的效果，将其应用在钠离子电池的电极材料中，可以具有良好的倍率性能和循环稳定性。具有良好的倍率性能和循环稳定性。具有良好的倍率性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种含镍掺杂多孔碳的碳片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种含镍掺杂多孔碳的碳片及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池发展迅猛，技术趋于成熟，并在便携式电子设备和电动汽车等领域应用广泛，并逐渐代替部分化石能源，构建一个可存储的清洁能源储能体系，解决因化石能源消耗带来的环境问题，但是锂金属含量低，价格高，难以维持长期发展，因此需要开发新型储能器件，代替锂离子电池，钠元素与锂元素属于同一主族，具有相似的储能机制，因此有望代替锂离子电池，成为新型能源存储器件。
[0003]虽然钠元素与锂元素储能机制相似，但是钠离子的原子半径比锂离子的大得多，在电池的充放电过程中，很难达到较快的嵌入和脱嵌速度，使得电池的效率较低，并且循环性能和倍率性能也无法得到保障，而传统的石墨类炭基电极材料导电性不强，结构易发生塌陷，无法满足钠离子电池电极材料的容量和循环稳定性等需求，因此需要开发性能优异的电极材料，来解决当前研发过程中面临的问题，公开号为CN110240160A的专利公开了一种钠离子电池用硼掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法，通过对生物质多孔碳材料进行硼元素掺杂，提高了钠离子的扩散速率和电子传输性能，有利于增强多孔碳材料的导电性，进而使得以该多孔碳材料为主要活性电极物质制备的钠离子电池具有良好的倍率性能，但是该方案没有解决多孔碳材料自身容易出现结构塌陷的问题，无法保障钠离子电池的循环稳定性，因此对多孔碳材料进行改性，规避上述提到的问题，是开发新型钠离子电池电极材料的重要方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种含镍掺杂的多孔碳的碳片及其制备方法与应用，通过对多孔碳材料进行镍和氮元素的双元素掺杂，不仅增强了多孔碳材料的倍率性能，还能改善多孔碳材料循环稳定性差的问题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种含镍掺杂的多孔碳的碳片，该含镍掺杂的多孔碳的碳片具有微孔和大孔结构，孔径为20
‑
2000nm，孔容为0.5
‑
4cm3/g，比表面积为100
‑
3000m2/g，镍的掺杂量为15％
‑
25％。
[0007]进一步地，一种含镍掺杂的多孔碳的碳片的具体制备方法包括以下步骤：
[0008]S1：向20
‑
40mL乙二醇和去离子水混合溶剂中加入醋酸镍，混合均匀，在搅拌的条件下继续加入改性纤维素，混合均匀，得到混合液；
[0009]S2：将步骤S1中制备的混合液倒入反应釜中，密封，转移至烘箱内，在170
‑
190℃的温度下加热反应24
‑
36h，待产物冷却后，离心分离收集产物，使用乙醇和去离子水洗涤1
‑
3次后真空干燥，得到碳前驱体；
[0010]S3：向碱性水溶液中加入步骤S2中制备的碳前驱体，搅拌混合均匀，蒸发溶剂，将其转移至置于管式炉中，在200
‑
400℃下活化制孔6
‑
18h，产物冷却后，依次使用盐酸和去离子水洗涤产物，真空干燥，得到活化碳前驱体；
[0011]S4：将S3中制备的活化碳前驱体置于管式炉中进行碳化处理，产物冷却后，得到掺杂型多孔碳纳米片，即含镍掺杂的多孔碳的碳片。
[0012]进一步地，所述步骤S1中乙二醇和去离子水的体积比为1:1。
[0013]进一步地，所述步骤S3中碱性水溶液为2
‑
5％质量浓度的氢氧化钾或者氢氧化钠水溶液。
[0014]进一步地，所述步骤S4中碳化处理时的条件为：以1
‑
3℃/min 的升温速率升温至700
‑
850℃，在氮气保护下碳化处理1
‑
3h。
[0015]通过上述技术方案，醋酸镍首先水解生成Ni
2+
和醋酸根离子，Ni
2+
可以与乙二醇反应生成配伍络合物，醋酸根离子与水反应生成醋酸，并电离出OH
‑
,该OH
‑
与Ni
2+
反应，生成氢氧化镍核，通过络合解离平衡和水解平衡释放调节氢氧化镍核形成氢氧化镍纳米片，而改性纤维素在水热过程中产生的微球会吸附在强氧化镍纳米片上，最终形成碳包覆氢氧化镍纳米片，再经过碱性溶液对碳进行活化制孔和高温碳化过程，氢氧化镍逐渐被还原成镍，最终得到掺杂型多孔碳纳米片，即本专利技术含镍掺杂的多孔碳的碳片。
[0016]进一步地，所述改性纤维素的制备方法包括为：向N,N
‑
二甲基甲酰胺溶剂中加入羧甲基纤维素，充分搅拌均匀，继续加入2
‑
氨基
ꢀ‑3‑
羟基吡啶、二环己基碳二亚胺和4
‑
二甲氨基吡啶，混匀后，将其置于15
‑
40℃的水浴锅中，搅拌反应12
‑
24h，反应结束后，离心分离产物，经沉淀和真空干燥过程，得到改性纤维素。
[0017]进一步地，所述N,N
‑
二甲基甲酰胺为80
‑
150份、羧甲基纤维素的质量份数为1份、2
‑
氨基
‑3‑
羟基吡啶为0.6
‑
1.5份、二环己基碳二亚胺为0.5
‑
1.2份和4
‑
二甲氨基吡啶为0.02
‑
0.06份。
[0018]通过上述技术方案，在二环己基碳二亚胺和4
‑
二甲氨基吡啶的复合催化作用下，羧甲基纤维素结构中的羧甲基可以与2
‑
氨基
‑3‑ꢀ
羟基吡啶发生反应，由于氨基的活性高于羟基，因此该反应中，纤维素中的羧甲基是与氨基进行酰胺化反应，当2
‑
氨基
‑3‑
羟基吡啶过量时，羟基也能一定程度上与羧基发生酯化反应，进而形成部分交联型纤维素，从而以简单的化学反应，在纤维素结构中修饰了吡啶官能团，这种化学连接的方式，可以使得吡啶官能团相对均匀的分布在纤维素的结构中，因此在后续的碳化过程中，吡啶官能团作为氮源，可以均匀掺杂在多孔碳纳米片的结构中，而且纤维素经交联后碳化率更高，孔隙结构更加丰富，从而进一步提高多孔碳纳米片的比表面积。
[0019]进一步地，上述制备的含镍掺杂的多孔碳的碳片的应用，是将制备得到的所述含镍掺杂的多孔碳应用于钠离子电池的电极材料领域。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)通过使用碱性水溶液对碳材料进行活化制孔，制得最终制备的碳片具有丰富的孔隙结构，由于孔隙结构的存在，电解液更易对碳材料进行浸润，使得碳材料的活性物质与钠离子的反应接触位点增加，从而实现了碳材料的高利用率，并有效地增强了碳材料的倍率性能。
[0022](2)通过在多孔碳纳米片中掺杂镍元素，不仅能够结合金属镍优异的导电性，提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含镍掺杂的多孔碳的碳片，其特征在于，所述含镍掺杂的多孔碳的碳片具有微孔和大孔结构，其孔径为20
‑
2000nm，孔容为0.5
‑
4cm3/g，比表面积为100
‑
3000m2/g，镍的掺杂量为15％
‑
25％。2.一种如权利要求1所述的含镍掺杂的多孔碳的碳片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：向20
‑
40mL乙二醇和去离子水混合溶剂中加入醋酸镍，混合均匀，在搅拌的条件下继续加入改性纤维素，混合均匀，得到混合液；S2：将步骤S1中制备的混合液倒入反应釜中，密封，转移至烘箱内，在170
‑
190℃的温度下加热反应24
‑
36h，待产物冷却后，离心分离收集产物，使用乙醇和去离子水洗涤1
‑
3次后真空干燥，得到碳前驱体；S3：向碱性水溶液中加入步骤S2中制备的碳前驱体，搅拌混合均匀，蒸发溶剂，将其转移至置于管式炉中，在200
‑
400℃下活化制孔6
‑
18h，产物冷却后，依次使用盐酸和去离子水洗涤产物，真空干燥，得到活化碳前驱体；S4：将S3中制备的活化碳前驱体置于管式炉中进行碳化处理，产物冷却后，得到掺杂型多孔碳纳米片，即含镍掺杂的多孔碳的碳片。3.根据权利要求2所述的一种含镍掺杂的多孔碳的碳片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中乙二醇和去离子水的体积比为1:1。4.根据权利要求2所述的一种含镍掺杂的多孔碳的碳片的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中碱性水溶液为2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：吴聚彬，候威振，候明富，吴威力，马鹏，张纪龙，
申请(专利权)人：亳州市亚珠新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：