一种氮掺杂空心缺陷碳球及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂空心缺陷碳球及其制备方法与应用，属于钠离子电池负极材料制备技术领域。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤：步骤1)采用自组装法制备模板三聚氰胺

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂空心缺陷碳球及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纳米负极材料
，具体涉及到一种氮掺杂空心缺陷碳球及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]大量具有不同储钠机制的非碳质材料已被开发出来作为钠离子电池的负极，包括金属氧化物/硫化物(如TiO2，SnS2，MoS2)和金属/合金(如Sn，NiSe2)。总的来说，这些材料在插入Na
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时仍然会发生严重的体积变化，导致循环稳定性降低。相反，合理的设计和方便得合成非贵金属材料对钠离子电池的要求很高，具有价格低廉和制作简单的碳材料作为钠离子电池的负极已被广泛研究。然而，理论比容量过低、速率性能不理想等缺点阻碍了结构良好的石墨在高能量密度钠离子电池中的实际应用。另外，其他碳物质，包括多孔碳，杂原子掺杂碳和不同结构的碳，也被用来作为负极材料来提高可充电二次电池的能量和功率密度。以MF球为模板制备的氮掺杂空心缺陷碳球材料，由于氮和碳具有相似的共价半径，氮在掺杂到含碳材料中时可以有效地调节电子结构和电荷密度分布，且在碳球制备过程中，控制结构以形成缺陷，两者皆可提高储存钠的能力。
[0003]如上所述，将碳电极的结构设计与碳宿主的层间扩展巧妙结合，以容纳更多的插入钠离子，是提高碳电极储钠容量最有效的途径之一。因此，开发高性能钠离子电池的碳基负极仍然是非常有必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种氮掺杂空心缺陷碳球及其制备方法与应用，可以获得形态结构可控的氮掺杂空心缺陷碳球以用做钠离子电池负极材料，提高负极材料的能量密度、倍率性能和比容量。
[0005]为达上述目的，本专利技术提供了一种氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)采用自组装法制备模板MF球
[0007]将三聚氰胺与甲醛溶液混匀后，于加热条件下加入甲酸溶液继续反应，反应结束后离心收集样品，经洗涤干燥后的，制得模板MF球；
[0008](2)对所制备的模板MF球通过盐酸多巴胺(PDA)进行包覆，并加入1,3,5
‑
三甲苯(TMB)以及三嵌段共聚物形成胶束，随后在碱性条件下制得胶束混合溶液(MF@MMPDA，黑色溶液)；
[0009](3)将胶束混合溶液离心后收集样品，加入酒精超声后，再分别用酒精和去离子水反复清洗后，恒温干燥制得缺陷型球体(MF@MMPDA，棕色粉末)；
[0010](4)对缺陷型球体进行热处理制备得到氮掺杂空心缺陷碳球(黑色粉末)。
[0011]优选的，三嵌段共聚物为F127，即聚(乙二醇)
‑
block
‑
聚(丙二醇)
‑
block
‑
聚(乙二醇)。
[0012]进一步地，步骤(1)中，甲醛溶液、三聚氰胺以及甲酸溶液的比例关系为：6
‑
10mL：2
‑
3g：0.1
‑
0.2mL，甲醛溶液的浓度为35
‑
40wt.％，甲酸溶液的体积分数为85
‑
90％。
[0013]优选的，甲醛溶液的浓度为37wt.％，甲酸溶液的体积分数为88％。
[0014]进一步地，步骤(1)加热的温度为75
‑
90℃，加入甲酸溶液后反应的时间为100
‑
150min；三聚氰胺与甲醛溶液的反应时间为2
‑
4min，干燥的温度为75
‑
90℃，干燥的时间为10
‑
15h。
[0015]进一步地，步骤(2)具体包括以下步骤：
[0016]将0.08
‑
0.12g模板MF球超声分散在酒精和水的混合溶液中，再在混合溶液中加入0.12
‑
0.18g三嵌段共聚物、0.45
‑
0.55mL 1,3,5
‑
三甲苯和0.12
‑
0.18g盐酸多巴胺超声15
‑
30min，并在200
‑
500r/min的转速下磁力搅拌25
‑
35min，随后加入0.3
‑
0.4mL氨水溶液，连续搅拌2
‑
3h，得到胶束混合溶液。
[0017]优选的，步骤(2)具体包括以下步骤：
[0018]将0.1g模板MF球超声分散在酒精和水的混合溶液中，再在混合溶液中加入0.15g三嵌段共聚物、0.5mL 1,3,5
‑
三甲苯和0.15g盐酸多巴胺超声15min，并在300r/min的转速下磁力搅拌30min，随后加入0.375mL氨水溶液，连续搅拌2h，得到胶束混合溶液。
[0019]进一步地，酒精与水的混合溶液中，酒精的体积分数为99.0
‑
99.9％，氨水溶液的体积分数为25
‑
30％。
[0020]优选的，酒精的体积分数为99.7％，氨水溶液的体积分数为28％。
[0021]进一步地，步骤(3)离心的转速为10000r/min，离心的时间为10
‑
15min。
[0022]进一步地，步骤(3)恒温干燥的温度为75
‑
90℃，恒温干燥的时间为10
‑
15h。
[0023]进一步地，步骤(4)热处理的过程包括：在保护气体气氛中，以1
‑
2℃/min的升温速率升温至750
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850℃，煅烧缺陷型球体1
‑
3h，即可制得氮掺杂空心缺陷碳球。
[0024]本专利技术还提供了上述氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法制备得到的氮掺杂空心缺陷碳球。
[0025]本专利技术还提供了上述氮掺杂空心缺陷碳球在制备纽扣电池上的应用，具体的：
[0026]将氮掺杂空心缺陷碳球、乙炔黑和粘结剂PVDF按照8(80wt％)：1(10wt％)：1(10wt％)的质量比添加到研钵中后加入N
‑
甲基吡咯烷酮使研磨直至混合；然后将浆料涂敷在铜箔上并转移到60℃的真空干燥箱12小时；
[0027]电解液由溶解在碳酸乙烯/碳酸二乙烯(体积比1:1)中的1M高氯酸钠组成；
[0028]并在充满氩气的手套箱中制作成纽扣电池；
[0029]在NEWARE电池测试系统上进行恒电流充放电测试，钠离子电池的截止电压为0.01V至3.0V；
[0030]在VersasTAT工作站上进行循环伏安分布(CV)和电化学阻抗谱(EIS)电压范围为0.01V至3.0V，扫描速率为0.1mVs
‑1；
[0031]通过在100kHz至0.01Hz的频率范围内施加振幅为5mV的正弦波来获得ESI。
[0032]所有测试均在室温下进行。
[0033]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0034]1、本专利技术采用简单的包覆法制备前驱体MF@MM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用自组装法制备模板MF球将三聚氰胺与甲醛溶液混匀后，于加热条件下加入甲酸溶液继续反应，反应结束后离心收集样品，经洗涤干燥后的，制得模板MF球；(2)对所制备的模板MF球通过盐酸多巴胺进行包覆，并加入1,3,5
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三甲苯以及三嵌段共聚物形成胶束，随后在碱性条件下制得胶束混合溶液；(3)将胶束混合溶液离心后收集样品，加入酒精超声后，再分别用酒精和去离子水反复清洗后，恒温干燥制得缺陷型球体；(4)对所述缺陷型球体进行热处理制备得到氮掺杂空心缺陷碳球。2.如权利要求1所述的氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，甲醛溶液、三聚氰胺以及甲酸溶液的比例关系为：6
‑
10mL：2
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3g：0.1
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0.2mL，所述甲醛溶液的浓度为35
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40wt.％，所述甲酸溶液的体积分数为85
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90％。3.如权利要求1所述的氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)加热的温度为75
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90℃，加入甲酸溶液后反应的时间为100
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150min；三聚氰胺与甲醛溶液的反应时间为2
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4min，干燥的温度为75
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90℃，干燥的时间为10
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15h。4.如权利要求1所述的氮掺杂空心缺陷碳球的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：将0.08
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0.12g模板MF球超声分散在酒精和水的混合溶液中，再在混合溶液中加入0.12
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：姚卫棠，马文杰，余礼涛，苗小强，张从芬，孔清泉，安旭光，张靖，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：