[发明专利]一种片状含氮碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种片状含氮碳材料及其制备方法，该片状含氮碳材料为中空片状结构，可用于制作锂离子电池负极并可应用于超级电容器，电化学性能优良。本发明公开的片状含氮碳材料制备方法，包括四个步骤：步骤一，制备层状双金属氢氧化物LDH模板；步骤二，在步骤一的基础上制备得到含氮单体与LDH的复合物；步骤三，在步骤二的基础上制备得到均匀包裹在LDH上的聚合氮碳化合物；步骤四，将步骤三的产物进行刻蚀得到片状含氮碳材料。本发明技术方案公开的制备方法与现有技术相比，经济环保，工序简单，成本低廉，制备出的含氮碳材料形貌完好，制备过程中实现了前驱体与模板的良好复合，同步实现了掺氮和形貌控制。

技术领域

本发明涉及一种碳材料及其制备方法，尤其涉及一种片状含氮碳材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前应用最广泛的二次电池，其中负极材料是锂离子电池的重要组成部分，直接关系到锂离子电池的整体性能。锂离子电池负极材料目前主要为石墨，而对于硅、锗、锡这类材料，由于体积膨胀问题没有得到有效解决，商业化应用十分遥远。石墨烯被认为是最有竞争力的锂离子电池负极材料，但是千元级每克的超高价格阻碍了它的商业化应用。

通过在碳材料中掺杂氮元素，所得的含氮碳材料电化学活性较高，容量与石墨烯近似，通过选择合适原料和制备方案，生产成本相比石墨烯降低很多，制备出的含氮碳材料不仅可以应用到锂离子电池中，还可以应用到超级电容器中，提高超级电容器能量密度，从而影响整个电化学储能市场。

模版法制备的碳材料具有良好控制的窄孔径分布、有序孔结构、大比表面积和互连孔网络的纳米结构，良好控制的多孔结构促进了来自碳材料的氮化和氧化官能团的赝电容的有效使用，介孔(通常2-8nm)的存在可以加速电极中的离子扩散的动力学过程并且改善在高电流密度下的功率性能，而电解质离子可进入的微孔则对应于高能量存储。所以模版法制备的碳材料是一种的理想的超级电容器电极材料和锂离子电池电极材料。模板法制备碳材料的程序中，首先将碳前体渗透到模板的孔中，然后进行碳化处理，最后除去模板留下多孔碳结构。对模版法制备的碳材料进行杂原子诸如氮原子的掺杂有多种策略，比如用NH3、三聚氰胺、尿素等富氮小分子对制备好的模板碳进行高温、高能球磨等后处理，使氮原子嵌入到模板碳中，或者直接用既含碳又含氮的前驱体比如聚多巴胺、聚间苯二胺、三聚氰胺-甲醛树脂等在碳化的过程中进行原位掺杂。原位掺杂的氮元素在模板碳中分布均匀，且原位掺氮比富氮小分子后处理掺氮步骤更少、更节能环保。所以，目前模版法制备含氮碳材料，通常是将含氮单体和模板溶于水中或者有机溶剂中，然后进行聚合，最后将包含模版的聚合物在氮气保护下高温碳化，最后除去模版。

现有技术中用模板法制备含氮碳材料往往需要含氮小分子在溶液中聚合成聚合物前驱体，然后加入模板让前躯体包裹在模板上，最后通过碳化，刻蚀除去模板得到氮掺杂碳材料。

现有技术在制备含氮碳材料中存在以下缺点：

1、整个制备过程中，需要使用大量的水或有机溶剂，污水及废有机溶剂会严重环境污染，危害身体健康，而且溶剂回收利用、污水处理会极大地增加生产成本。

2、现有技术中，前驱体一般需要由氮和碳的小分子聚合而来，多出一道工序，需要额外的设备和工时，抬高了成本。

3、现有技术中，前驱体与模板往往不能复合完好，导致制备的模板碳形貌受损，影响性能。

因此，本领域的技术人员一直致力于开发一种含氮碳材料，是一种含氮基电极材料，该材料具有良好的电化学性能，可以作为应用在锂离子电池负极和超级电容器上的能源材料，同时该含氮碳材料制备过程环保，工序简单，成本低廉，形貌完好。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种含氮碳材料及其制备方法，解决现有技术中制备过程工艺复杂、成本高、污染大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种片状含氮碳材料及其制备方法。具体技术方案如下：