[发明专利]一类氮掺杂多孔炭负极材料的制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种氮掺杂多孔炭负极材料的制备方法，并涉及这些材料在制备过程中采用的步骤以及原料。

技术背景

电子信息时代人们对便携式、大功率、高智能化电源设备的需求日益增长，使得高性能储能系统已经成为能源领域研究和应用并亟待实现的共同课题。在传统能源储备减少、全球变暖、生存环境保护日益加强的多重客观力量推动下，能源生产和使用方式正在向新型清洁能源变革。现今，高效的二次储能器件及关键技术和材料的出现为电子信息智能化设备提供了便捷能源动力支撑的优选项，并被我国以及众多国际机构列为能源项目中重点支持的高性能储能技术之一。其中，在1990年被日本索尼公司大规模商业化的全新锂离子二次电池(又称锂离子电池，lithium ion battery)，由于具有工作电压高、高容量、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、安全性能好以及环境污染轻等优异的综合性能，在便携式、智能化电子设备领域正得到广泛的研究、开发和应用，并将进一步在电动汽车、空间技术、国防工业等大型储能领域方面得到深入拓展，其广阔的应用前景对于加速新型清洁能源的成功变革具有重要意义。

从应用的角度，若是将开发同时具备高能量密度、高的功率密度与高的循环稳定性特点的锂离子电池材料作为高性能储能系统方向重点研究和攻关的技术核心，则负极材料的性能优劣、成本高低是锂离子电池电极材料的核心关键元素。¹目前全球锂离子电池负极材料年需求量呈现稳定成长，2008-2014年间的复合年均增长率(CAGR)约10％，其中研究较多的炭质负极材料除了天然石墨(Natural graphite)、人造石墨(Artifical graphite)、间相炭微球(Mesocarbonmicrobeads)还有非晶热解炭(Armorphouspyrolytic carbon)等，前三者约合占95％负极材料市场。而日立化成及深圳贝特瑞约合占全球5成市场占有率，不过这些炭质材料也各有其优缺点和选择性适用。最早作为嵌锂的负极材料的石油焦的最大理论化学嵌锂容量为LiC₁₂，电化学比容量为186mAh/g，存在嵌锂时体积膨胀降低电池寿命等缺点限制其进一步发展；传统的石墨负极材料因嵌脱锂离子过程易引起层状结构的破坏影响电池的循环寿命，层间嵌锂终极产物为LiC₆，其实际比容量(～270mAh/g)低于理论值(372mAh/g)，在垂直石墨层面上的嵌锂过程困难，影响倍率循环性能，限制了其在新一代锂离子电池中的应用。可逆比容量相近的人造石墨与间相炭微球都需要经过2400℃及以上的超高温炉石墨化热处理方可得到，循环寿命相对较长，主要缺点在于比容量潜力不足，高成本的超高温炉制备工艺使之制造成本较石墨炭更高。此外，具有特殊的维、二维柔性结构、良好的导电性和导热特 性炭纳米管、石墨烯等新型炭材料，给锂离子电池的发展带来了新的机遇，但是也存在有较低的库仑效率、滞后的电压等不足之处，不适合直接作为负极材料，需要进行适当的结构修饰与杂原子掺杂的非晶化处理。

因此，新型炭负极材料的改进与创新研究使得低成本、高嵌锂容量、高能量密度和高循环稳定性成为锂离子电池关键负极材料领域的关键科技问题，具有原料来源广泛、制备方法简单、微观结构丰富、高性能的新型锂离子电池炭负极材料亟需开发。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种利用有机物制备氮掺杂多孔炭负极材料的方法，所要解决的问题是以含氮有机物，用不同的活化剂或者模板剂，经炭化处理后，制备氮掺杂多孔炭负极材料，实现价格低廉的含氮有机物的高效利用并提供一种新型高效氮掺杂多孔炭离子二次电池的方法及应用。

技术方案：

本发明是将结构为1-34的紫环酮类炭源(含顺、反式分子)和模板剂研磨得到共混物，经炭化处理制备氮掺杂多孔炭负极材料。该工艺可以克服通常掺氮炭的制备过程中由于氮源的易热解而难以实现氮的有效掺杂的困难，保证材料中氮含量；同时该方法原料易得，操作容易，为价格低的结构为5的炭源(含顺、反式分子)的高效利用提供了一条新的途径。