[发明专利]一种氮掺杂泡沫碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂泡沫碳负极材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池技术领域。一种氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法，将聚丙烯腈溶解于二甲基亚砜和水的混合溶剂中形成溶胶，随后降温至室温形成凝胶，洗涤，干燥，得气凝胶；将气凝胶以2～10℃/min的升温速率升温到260～300℃进行预氧化1～2小时；随后，惰性气体氛围下，以5～10℃/min的升温速率升温700～900℃并恒温1～2小时进行碳化，即得。该方法成本低廉，可控性强，具有很强的工业化的潜力。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂泡沫碳负极材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池是目前发展最成熟的储能器件之一，被广泛应用于智能手机、电动汽车、智能电网在内的各个领域。随着社会的持续发展，锂离子电池中的石墨负极由于其理论容量较低(320mAh/g)、循环性能较差制约了锂离子电池的进一步发展。硬碳材料的理论比容量接近石墨的两倍，是最有潜力替代石墨的负极材料之一。为了进一步提高硬碳材料的性能，进行精细的纳米结构设计以及通过杂原子掺杂调整电子结构是提高其性能的重要方法。

进行精细的孔道设计是提高硬碳材料储锂性能的主要手段之一，通过构筑合理的孔道结构，可以极大地提高离子的扩散的动力学从而有效提高材料的倍率性能。通常来说，模板法是最常用的调控孔道的方法，但是模板的使用不仅使材料的制备过程更加复杂，而且模板剂的添加也增高了材料的制备成本。因此无模板法或自模板法是最优的造孔方法。

进行适当的杂原子掺杂可以调控碳材料的电子结构，增加碳材料的电负性，从而提高材料的导电性以及储锂性能。氮原子尤其是吡啶氮的掺杂可以有效提高材料的储锂性能。在氨气中煅烧是进行氮原子掺杂的主要手段，但是由于氨气具有一定的毒性，限制了其大规模量产。而由含氮聚合物裂解制备氮掺杂碳具有工艺条件简单，碳含量碳种类可控的特点，是工业化生产过程中首选的方法。

综上所述，虽然一些经过结构设计的杂原子掺杂硬碳材料表现出良好的储锂性能，但是模板剂的添加以及氨气的使用导致了量产困难。这严重制约了锂电负极的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法，该方法首先通过溶胶凝胶法在没有添加模板剂的情况下，制得具有层次孔结构的聚丙烯腈气凝胶，随后在惰性气体氛围下一步碳化制备出形貌、氮含量氮种类可调控的新型氮掺杂泡沫碳，该材料在锂离子的存储过程中表现出极其优秀的倍率性能，以及超长的循环寿命。

一种氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法，将聚丙烯腈溶解于二甲基亚砜和水的混合溶剂中形成溶胶，随后降温至室温形成凝胶，洗涤，干燥，得气凝胶；将气凝胶以2～10℃/min的升温速率升温到260～300℃进行预氧化1～2小时；随后，惰性气体氛围下，以5～10℃/min的升温速率升温700～900℃并恒温1～2小时进行碳化，即得。

上述技术方案中，所述“洗涤”优选利用水反复清洗后再利用乙醇反复清洗凝胶。

上述技术方案中，所述惰性气体为氮气或氩气。

本发明所述氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法，优选于90℃～110℃，将聚丙烯腈溶解于二甲基亚砜和水的混合溶剂中形成溶胶，随后降温至室温形成凝胶，其中，所述聚丙烯腈与混合溶剂的比例为0.6～1.2g:10mL，所述二甲基亚砜和水的体积比为85:15～90:10。

本发明所述氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法，优选所述气凝胶为独立自支撑且具有层次孔结构的气凝胶，所述层次孔结构为具有相互贯通的孔径为0.5～3μm的大孔结构以及在聚丙烯腈骨架上形成的孔径为20nm左右的介孔结构。

本发明所述氮掺杂泡沫碳负极材料的制备方法一个优选的技术方案为：