一种富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法及其应用技术

技术编号：40559823 阅读：14 留言：0更新日期：2024-03-05 19:22

本发明专利技术公开了一种富red‑P‑O‑C化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法及其应用，属于二次电池电极材料技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：利用液相法获得red‑P‑O‑C NS前驱体，通过在弱还原气氛中进行煅烧向纳米晶体中引入磷/氧空位缺陷，最终得到富red‑P‑O‑C化学键多孔纳米碳球复合材料。本发明专利技术制得的富red‑P‑O‑C化学键多孔纳米碳球复合材料具有较优越的储钾性能、良好的导电性和较高的稳定性，可作为高性能非水系钾离子电池的负极材料，本发明专利技术制备方法较为安全、反应条件较为温和、成本较低具有可重复性和较高的储能性能有利于工业化生产。

全部详细技术资料下载

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进二次电池电极材料制备，具体涉及一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法及其在非水系钾离子电池中的应用。

技术介绍

1、二次电池又称充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。在储能技术中，二次电池因其对环境污染小、能量密度高、储能效率高等优点而被证明是最有潜力的电储能器件。目前市场上主要的二次电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池，以及钠离子电池、钾离子电池等新型二次电池。锂离子电池因其具有能量密度高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，并主导全球电子和电动汽车消费市场。然而随着便携式电子产品数量的迅速增加以及全球对电动交通和智能电网的推动，使得对锂原材料的需求增加，但锂的有限性阻碍了锂离子电池更广泛的应用。相比之下，钾的资源比较丰富（钾含量约为锂的八倍），价格低廉（成本仅为锂的十分之一），同时，k+/k的氧化还原电位低于li+/li和na+/na，因此钾离子电池成为近年来备受关注的低成本二次电池。目前，基于已开发材料的钾离子电池的储能性能亟待提高，电极材料对其性能起着关键性作用，为此，该电化学储能技术仍然需要在优化活性材料的基础上提高能量密度。碳被认为是极具潜力的钾离子电池负极材料，就以石墨为代表的插层型负极材料而言，存在理论容量较低的缺点（372 ma hg-1），并且其低的可逆电势会产生枝晶，同时钾离子的反复嵌入和脱出过程还会导致电极结构的坍塌。因此，研究开发具有高性能的钾离子电池意义重大。就合金

技术实现思路

1、为了提升碳基负极材料相对较差的储钾性能，本专利技术主要从以下三个方向出发：（1）掺入杂原子。对于纯碳材料，对其引入磷和氧原子来破坏碳原子原有的六角形结构，从而使主体材料产生更多的缺陷和活性位点，有利于其具备高电荷分布密度、低扩散能垒和势垒来整体促进钾离子的储存和运输。此外杂原子掺杂可增大碳原子层间距，在便于钾离子脱嵌的同时，缓解了因钾离子插层过程中导致的体积膨胀现象；（2）构筑独特微观结构来缓解体积膨胀导致的结构坍塌和促进电子传输。在碳纳米球表面，存在三维镂空孔道结构，该结构致使其具有多孔特性，它不仅具有稳定结构的作用，而且使钾离子具有快速的扩散通道；（3）制备纳米化材料。纳米化材料不仅有助于缓解体积膨胀带来的机械应力保持结构完整性，还可以缩短钾离子的扩散路径来改善其电子迁移动力学，从而在一定程度上提高了碳基负极材料的循环稳定性。

2、本专利技术解决的技术问题是提供了一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球（缩写为red-p-o-c ns，p代表红磷，o代表穿多孔碳球上的氧，c ns是porous carbonnanospheres的缩写）复合材料及其在非水系钾离子电池中的应用。该富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料中o占red-p-o-c ns复合材料的质量百分比为5%-40%，c占red-p-o-c ns复合材料的质量百分比为50%-89%，余量为p和n。经研究表明，该富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料具有较优越的储钾性能，可作为高性能非水系钾离子电池的负极材料。

3、本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

4、步骤s1：将盐酸多巴胺溶解在二次水和甲醇的混合溶液中，搅拌完全溶解后形成溶液a，随后在搅拌的同时向溶液a中加入泊洛沙姆，使用循环泵将对二甲苯加入上述溶液形成溶液b，再使用循环泵将氨水分别以两种不同的流速依次加入设有不同搅拌速率的溶液b中形成溶液c，设置循环泵流速可以控制碳球成核速率、孔隙大小和球形颗粒的均一性，静置，用二次水和无水甲醇洗涤数次后将产物烘干得到深棕色成核产物；

5、步骤s2：将步骤s1得到的成核产物在高纯氮气氛围下，以1-10 ℃ min-1的升温速率升温至280-500 ℃热处理1-6 h，这一步低温煅烧主要目的是保留原始形貌并逐渐形成均一的微孔孔隙；紧接着继续以1-10 ℃ min-1的升温速率升温至700-1000 ℃热处理1-3.5h，这一步煅烧是为了得到比表面积更大、孔隙更丰富、导电性更优的的富o-c化学键多孔纳米碳球前驱体；

6、步骤s3：将步骤s2得到的富o-c化学键多孔纳米碳球前驱体与红磷以质量比3:5-3:7的比例混合均匀，将混合材料放入一端封闭的玻璃管中，先抽真空，并使用酒精灯融化密封另一开放端口，将已抽真空的玻璃管置于管式炉中央以1-10℃ min-1的升温速率升温至120-600 ℃热处理1.5-26 h，再以1-10 ℃ min-1的速率降温至180-350 ℃热处理10-30h，自然降到室温即得富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料。

7、本专利技术所述一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于：

8、其中，所述盐酸多巴胺和泊洛沙姆质量为0.5 g: 1 g-1.5 g: 1 g，二次水和所述无水甲醇体积比为2：3，所述对二甲苯是在使用循环泵条件下以1.2-2.2 ml s-1的流速匀速加入所述溶液，静置时间1.5-4 h, 氨水是在使用循环泵以0.3-1.0 ml s-1和1.2-2.2 mls-1的流速分别匀速加入所述溶液，所述氨水的浓度范围为15%-22%。

9、本专利技术所述一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料作为高性能非水系钾离子电池负极材料的应用。

10、本专利技术所述一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料作为负极材料与六氰合铁酸铁作为正极材料组装形成扣式全电池。

11、本专利技术与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

12、1. 本专利技术制备方法较为安全（不涉及高温反应釜的使用）、反应条件较为温和、成本较低且具有可重复性和较高的储能性能，有利于工业化生产。

13、2. 本专利技术提供了一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

2.依据权利要求1所述的一种富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于：

3.一种权利要求1所述的方法制得的富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料，其特征在于：该富red-P-O-C 化学键多孔纳米碳球复合材料中O占富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料的质量百分比为5%-40%，C占富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料的质量百分比为50%-89%，余量为P和N。

4.一种权利要求1所述的方法制得的富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料作为高性能非水系钾离子电池负极材料的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述富red-P-O-C化学键多孔纳米碳球复合材料作为负极材料与六氰合铁酸铁作为正极材料组装形成扣式全电池。

【技术特征摘要】

1.一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

2.依据权利要求1所述的一种富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的制备方法，其特征在于：

3.一种权利要求1所述的方法制得的富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料，其特征在于：该富red-p-o-c 化学键多孔纳米碳球复合材料中o占富red-p-o-c化学键多孔纳米碳球复合材料的质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘代伙，徐春燕，张爽，李云莉，陈忠伟，刘定毅，王澳，白正宇，
申请(专利权)人：河南师范大学，
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