[发明专利]一种碘氮共掺碳微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极的制备方法，特别是一种锂离子电池负极的制备方法。

背景技术

面对日益增长的能源需求以及日渐枯竭的化石能源，我们迫切的需要利用可持续的能源替代品。然而，目前的可再生能源如：太阳能，潮汐能，风能，地热能都普遍具有间接性和分散性而不能直接应用。这就需要一套完善的能量储存和转换系统。其中，可充电电池因其能够将电能储存为化学能,然后又能将化学能转化为低压直流电能，这一特性受到人们的广泛关注与研究。在目前的可充电电池中锂离子电池因拥有较高的工作电压(3.7V左右)、更大的比能量(100Wh kg^-1)、自放电小、循环寿命长、无污染和无记忆效应等优点,已成为能量储存与转换系统的研究热点。并且在日常生活中锂离子电池已广泛应用于各种移动用电设备上，小到手表、手机，大到汽车、巴士。所以对电池的研究已成为方便生活和可持续发展的必然趋势。

在电池技术中，电极材料无疑是决定电池性能的重要因素。对负极材料来说，良好的充放电可逆性、与电解质溶剂相容性好、安全、无污染、价格低廉等都是需要考虑的因素。碳材料基本具备上述要求而且导电性良好，已成为广泛使用的锂离子电池负极材料。但是目前商业化最成熟的石墨负极材料很难满足人们日益增长的高比电容高倍率要求，因此许多低维或多孔材料被用于锂离子电池负极的研究中，如石墨烯，碳纳米管，多孔碳等。这些低维或多孔材料都有着较多缺陷或空隙，在储锂过程中这些缺陷或空隙可以储存大量的锂离子，进而提高材料的质量比电容。但是这些缺陷和空隙在提高储锂量的同时大大降低了材料的密度，使负极的体积比电容大打折扣。在用电设备中，提供过大空间给电池是不现实的，尤其是便携设备中，小空间比小质量有时更能提供便利。因此，体积比电容相较于质量比电容更能凸显电极材料的应用可能性。

电极材料的体积比电容是其质量比电容和电极密度的乘积所决定的，所以，提升质量比电容或电极密度成为较常用的提高体积比电容的方法。zhan等人(carbon,2015,94,1-8)将碘元素掺杂到石墨烯当中，通过碘在石墨烯平面对锂离子的吸附作用增加了石墨烯的质量比电容，将质量比电容达到了1690mAh g^-1，进而将体积比电容增加到了449.7mAh cm^-3。Wang等人则利用提高材料的密度来增加其体积比电容。他们通过真空蒸干以及煅烧氮掺杂石墨烯的水凝胶来获得一种块体状的氮掺杂石墨烯，这种块状石墨烯有着1.1g cm^-3的密度，相较于普通石墨烯密度(<0.5g cm^-3)有了很大的提高，进而获得了较高的体积比电容(1052mAh cm^-3)。在针对碳材料高体积比电容的研究中，提高容量的同时大都伴随空隙的增加而降低密度，而提高密度时又不可避免会影响锂离子的扩散及存储空间而影响电容值。因此，寻找一种同时顾及质量比电容及电极密度来获得超高体积比电容的方法来制备负极材料有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成工艺简单，反应条件温和，重复性高，具有高体积比的碘氮共掺碳微球的制备方法。本发明主要将碳源、氮源、碘源依次加入到反应釜中，仅利用特定的表面活性剂为结构导向剂，经高温烧结即可得到碘氮共掺杂的碳微球(以下简称INCM)即锂离子电池负极。

本发明的技术方案如下：

(1)将碳源、氮源、碘源和分析纯的表面活性剂依次加入到不锈钢反应釜中，然后搅拌10～30分钟，其填充量为60％～80％，密封反应釜；上述原料的质量百分比wt％为：碳源12～60％、氮源26～76％、碘源3～28％、表面活性剂1～10％；上述碳源为苯、甲苯、二甲苯、中任意一种；氮源为乙腈、苯胺、吡啶、吡咯、乙二胺中任意一种；碘源为碘单质、碘化铵、氢碘酸、碘化钠中任意一种，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)；

(2)将步骤(1)的不锈钢反应釜置于坩锅炉中,在300～600℃下加热6～48h，然后待反应釜自然冷却到室温，取出混合物；

(3)将步骤(2)的混合物依次用无水乙醇、稀盐酸(2mol/L)和蒸馏水洗涤3～6次，过滤，将所得的粉末置于真空干燥箱中60～100℃下干燥6～12h，真空度0.1MPa，制得碘氮共掺杂的碳微球。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、制备了低比表面积的碳材料，通过高温高压环境使碳微球内部结构紧密堆积来获得较高的材料密度，并且具有较好的球形度。