一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料及其在钠电负极中的应用制造技术

技术编号：40318648 阅读：5 留言：0更新日期：2024-02-07 21:01

本发明专利技术公开了一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料及其在钠离子电池负极中的应用，属于电池电极材料技术领域。使用一步碳化的方法制备出氮掺杂的多孔碳材料，简便节能，节约成本，更绿色环保，实验原料价格低廉，容易获取，材料的制备具有长远性。原料为硬碳容量大，寿命长。通过酸洗去除杂质后孔隙结构丰富，形成具有分级孔隙结构的多孔碳材料。将此种氮掺杂多孔碳材料作为钠电负极进行应用，由于存在较多的介孔和大孔，将有助于提高有效表面积，对提升倍率性能具有明显的效果。且大孔和介孔较多，对于钠离子的嵌入和脱出的体积变化影响较小，也有助于提升稳定性能，在钠离子电池技术领域具备重要应用意义。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电池电极材料，具体地，涉及一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料及其在钠电负极中的应用。

技术介绍

1、随着新能源领域的快速发展，研究更加高效的能源储存技术成为研究者们共同的焦点，锂离子电池凭借较高的能量密度和能量转化效率，已经被广泛应用于移动设备、电动汽车、储能电站等领域。但锂资源稀缺、回收率低以及价格高等问题极大限制了锂离子电池未来的应用。

2、相较于锂元素，钠元素在地壳含量丰富，价格低廉，在离子电池中的脱嵌机制与锂离子电池类似，并且钠离子电池具有更高的安全性，更有利于实际大规模生产应用。但是由于钠的原子尺寸较大，循环过程中的体积应变也较大，较小的层间距会影响钠离子传输的稳定性。

3、钠离子电池中，负极材料通常采用碳基负极材料、钛基负极材料、转化反应型负极材料以及金属间化合物负极材料等。碳基负极材料来源广泛、价格低廉、易于制备，碳基负极材料中硬碳材料在循环过程中结构稳定、容量大，寿命长成为了钠离子电池负极材料的首选，但目前碳负极材料仍存在着倍率性能较差的问题，限制了其使用范围。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种蜂窝状的氮掺杂多孔碳材料及其在钠离子电池负极中的应用，作为钠离子电池负极材料具有优异的倍率性能和优异的循环性能。

2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，通过以下步骤制得：

4、s1、将碳源、氮源、活化剂溶于水中，将溶液用液氮进行冷冻；</p>

5、s2、将步骤s1中用液氮冷冻后的物料放入冷冻干燥机，进行冷冻干燥，得到冷冻干燥后的前驱体；

6、s3、在管式炉通入惰性气体作为保护气体，加入冷冻干燥后的前驱体进行碳化，碳化结束，炉体自然降至室温，得到碳化后的材料；

7、s4、将碳化后的材料在稀盐酸中浸泡，直至ph为7，用去离子水进行洗涤，得到洗涤完的材料；

8、s5、将步骤s4洗涤完的材料放入真空干燥箱中60℃干燥8h，得到蜂窝状氮掺杂多孔碳材料。

9、进一步地，步骤s1中碳源、氮源、活化剂的质量之比为1:1:2~5。

10、进一步地，步骤s1中碳源为葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉中的一种。

11、进一步地，步骤s1中氮源为pvp（聚乙烯吡咯烷酮）。

12、进一步地，步骤s1中活化剂为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种。

13、进一步地，步骤s2中冷冻干燥的温度为-80~0℃，时间为24~48h。

14、进一步地，步骤s3中惰性气体为氮气，氩气中的一种。

15、进一步地，步骤s3中碳化温度为700~1000℃，碳化时间为1~3h，管式炉的升温速度为1~10℃/min。

16、进一步地，步骤s4中稀盐酸的浓度为1~6mol/l。

17、本专利技术的有益效果：

18、本专利技术获得的蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，使用一步碳化的方法制备出氮掺杂的多孔碳材料，相比需要氢氧化钾活化后再二次碳化的方法更加简便节能，节约成本，更绿色环保。实验原料价格低廉，容易获取，材料的制备具有长远性。原料为硬碳，容量大，寿命长。通过酸洗去除杂质后得到纯净的氮掺杂碳材料，且会进一步丰富孔隙结构，形成具有分级孔隙结构的多孔碳材料。将此种氮掺杂多孔碳材料作为钠电负极进行应用，由于存在较多的介孔和大孔，将有助于提高有效表面积，对提升倍率性能具有明显的效果。且大孔和介孔较多，对于钠离子的嵌入和脱出的体积变化影响较小，也有助于提升稳定性能，在电池电极材料技术尤其是钠离子电池领域具备重要应用意义。

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【技术保护点】

1.一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，通过以下步骤制得：

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S1中碳源、氮源、活化剂的质量之比为1:1:2~5。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S1中碳源为葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S1中氮源为PVP。

5.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S1中活化剂为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S2中冷冻干燥的温度为-80~0℃，时间为24~48h。

7.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S3中惰性气体为氮气，氩气中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S3中碳化温度为700~1000℃，碳化时间为1~3h，管式炉的升温速度为1~10℃/min。

9.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤S4中稀盐酸的浓度为1~6mol/L。

10.一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，在钠离子电池负极中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，通过以下步骤制得：

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤s1中碳源、氮源、活化剂的质量之比为1:1:2~5。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤s1中碳源为葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤s1中氮源为pvp。

5.根据权利要求1所述的一种蜂窝状氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，步骤s1中活化剂为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种。

6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：原长洲，张倩，宋柏，周玉林，石庆沫，陈猛，朱凯，杜春雨，单辉，任永锋，岳鹏，
申请(专利权)人：东营昆宇电源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人