用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，属于铝离子电池技术领域

【技术实现步骤摘要】
用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，属于铝离子电池

。

技术介绍

[0002]随着世界能源危机和全球环境污染的加剧，发展绿色清洁能源现已成为大势所趋，二次电池则成为了绿色清洁能源的代表之一
。
其中以锂离子电池的应用最为广泛和成熟，然而随着锂矿资源的快速消耗所带来的锂资源匮乏的问题也在日益凸显
。
铝离子电池因其固有的特点，近几年来受到了许多关注
。
铝离子电池具有高达
8046mAh/cm3的体积比容量，是锂离子电池的4倍；同时铝元素具有储藏量大
、
价格低廉
、
安全性高
、
环境友好等特点，被认为是有望替代锂离子电池的最佳选择之一
。
[0003]碳纳米管具有导电性高和机械强度高的特点，因而被广泛应用于新能源
、
半导体等行业
。
然而，碳纳米管表面较少的缺陷，降低了碳纳米管的储铝性能同时导致了铝离子电池容量的下降
。
目前，氮掺杂碳纳米管前驱体的制备一般采用的是，将氮源与碳纳米管加入水中形成混合物溶液，经过热干燥后再进行机械研磨混合，之后再对前驱体进行高温煅烧的方法
。
此方法易导致材料混合不均匀和产生团聚，从而使得铝离子电池容量的下降
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种用于铝离子电池的氮掺杂高导复合材料的制备方法，采用该方法制备的氮掺杂高导复合材料能有效增加碳纳米管的缺陷和活性位点，而且使复合材料降低团聚的同时，形成了稳定的三维网络结构，为电子的传输提供了快速转移的通道；也可以使得氮原子均匀的分布在碳纳米管的表面，氮原子上的未共用孤立电子对，进一步增强了复合材料电子电导率
。
将该复合材料应用于铝离子电池正极，有效改善了铝离子电池容量低
、
循环稳定性差等问题
。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的
。
[0006]用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)
将碳纳米管与氮源加入水中并混合均匀，得到分散均匀的混合物溶液；
[0008](2)
将步骤
(1)
获得的混合物溶液进行冷冻干燥处理，得到前驱体；
[0009](3)
将步骤
(2)
获得的前驱体置于惰性气体保护气氛中进行煅烧处理，得到用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料
。
[0010]进一步地，氮源为尿素
、
双氰胺或三聚氰胺；相应地，碳纳米管与氮源的质量比优选为
1:3
～
5。
[0011]进一步地，碳纳米管在混合物溶液的浓度为
0.01
～
0.1g/mL。
[0012]进一步地，碳纳米管与氮源加入水中，先以
500
～
800r/min
的搅拌速率搅拌2～
4h
，再置于
800
～
1200W
的超声功率下超声处理
20
～
60min。
[0013]进一步地，步骤
(2)
中置于温度小于等于
‑
30℃
条件下冷冻干燥
24h
及以上
。
[0014]进一步地，步骤
(3)
中，在
800
～
900℃
下煅烧处理1～
2h。
更优选地，以不高于
2.5℃/min
的升温速率加热至
800
～
900℃。
[0015]进一步地，步骤
(3)
中保护气体的流速为
20
～
80mL/min。
[0016]有益效果：
[0017](1)
本专利技术将冷冻干燥与高温煅烧的方法相结合，可以有效地避免复合材料产生的团聚，而且能使氮原子均匀的分布在碳纳米管的表面，并且还能使复合材料形成了稳定的三维网络结构，有效增加碳纳米管缺陷和活性位点的同时也提高了其电子电导率以及提供了电子快速转移通道，进而能有效改善铝离子电池的电化学性能
。
[0018](2)
碳纳米管与氮源比例，即氮掺杂量对于复合材料性能也有很大的影响
。
过多的掺杂量反而会降低复合材料的导电性，使得铝离子电池的容量下降
。
因此调控氮掺杂量，可以有效提高复合材料的导电性，增加铝离子电池的容量
。
[0019](3)
本专利技术引入的冷冻干燥处理步骤，主要是利用足够低温下快速冷冻以避免材料的团聚，有利于形成稳定地三维网络结构，从而能为电子的传输提供快速转移的通道
。
[0020](4)
本专利技术所述方法步骤简单，容易操作，而且采用该方法制备的复合材料应用于铝离子电池中，能够有效改善电池容量低
、
循环稳定性差等问题，具有良好的应用前景
。
附图说明
[0021]图1为实施例1制备氮掺杂高导纳米复合材料的过程示意图
。
[0022]图2为实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料的扫描电子显微镜
(SEM)
图
。
[0023]图3为实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料的透射电子显微镜
(TEM)
图
。
[0024]图4为实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料的
X
射线衍射
(XRD)
图
。
[0025]图5为实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料的
N1s
的高分辨率
X
射线光电子能谱
(XPS)
图
。
[0026]图6是采用实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的充放电循环平台曲线图
。
[0027]图7是采用实施例1制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的循环效率图
。
[0028]图8是采用实施例2制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的充放电循环平台曲线图
。
[0029]图9是采用实施例2制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的循环效率图
。
[0030]图
10
是采用实施例3制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的充放电循环平台曲线图
。
[0031]图
11
是采用实施例3制备的氮掺杂高导纳米复合材料组装的铝离子软包电池的循环效率图
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)
将碳纳米管与氮源加入水中并混合均匀，得到分散均匀的混合物溶液；
(2)
将步骤
(1)
获得的混合物溶液进行冷冻干燥处理，得到前驱体；
(3)
将步骤
(2)
获得的前驱体置于惰性气体保护气氛中进行煅烧处理，保温时间1～
2h
，得到用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料
。2.
根据权利要求1所述的用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(1)
中，氮源为尿素
、
双氰胺或三聚氰胺；碳纳米管与氮源的质量比为
1:3
～
5。3.
根据权利要求1或2所述的用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(1)
中，碳纳米管在混合物溶液的浓度为
0.01
～
0.1g/mL。4.
根据权利要求3所述的用于铝离子电池的氮掺杂高导纳米复合材料的制备方法，其特征在于：碳纳米管与氮源加入水中，先以
500
～
800r/min<...

【专利技术属性】
技术研发人员：查成，苏岳锋，闫康，潘晓钢，陈来，刘兴兴，李宇斯，
申请(专利权)人：中能鑫储北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：