[发明专利]硝酸盐辅助合成掺氮纳米碳片及其储钠应用

说明书

本发明公开了一种利用硝酸盐来辅助合成掺氮纳米碳片材料的方法。该方法是利用红藻类植物提取物‑卡拉胶为前驱体，以碱金属硝酸盐（LiNO₃，NaNO₃，KNO₃，RbNO₃，CsNO₃）为活化剂和氮源，经高温煅烧实现。首先将卡拉胶在高温条件下溶解于去离子水中，然后加入一定量的碱金属硝酸盐水溶液，充分混合后自然冷却至室温形成胶体，再进行冷冻干燥彻底除去水分，这样就得到了卡拉胶‑碱金属硝酸盐前驱体。将上述前驱体放入到管式炉中，在惰性气体保护下以一定升温速率升温至最优温度并保温一定时间进行碳化，再经过酸洗、水洗、干燥就能得到氮掺杂多孔纳米碳片。该方法通过控制工艺条件实现了对碳微观形貌和元素含量等进行调控，得到具有片层结构和大比表面积以及丰富的氮元素掺杂的碳，可用于储钠电极材料。

技术领域

本发明属于电化学能源储存领域，提供了在碳表面引入氮原子和修饰碳的微观形态同时进行的制备掺氮纳米碳片的方法，以及其作为钠离子电池和混合钠离子电容器负极材料的应用。

背景技术

由于煤炭和石油的过度使用和全球日益增长的能源消耗所引起的严重的环境污染，兼具高能量密度和高功率密度的储能装置引起了人们的高度重视。目前，锂离子电池是主要的能量存储装置，这是由于其高的能量密度和高的工作电压等优点。但是由于锂离子电池的大量使用，世界上的锂资源面临着日渐枯竭的现状，急需寻找资源丰富型的储能器件。

由于自然界中钠具有丰富的资源，且分布广泛，价格低廉，以钠离子为基础的储能装置已成为储能系统的重要候选之一。基于钠离子的储能装置主要包括钠离子电池和混合钠离子电容器。钠离子电池与锂离子电池类似，具有很高的能量密度，但是功率密度较低。为了弥补这一缺陷，兼具高能量密度和高功率密度的混合钠离子电容器应运而生。混合钠离子电容器，即一种采用电容器型的正极和电池型负极的器件。在这种混合电容器中，电荷通过插层进入负极，类似于电池；同时电荷通过可逆的吸附进入正极，类似于超级电容器，吸附相对于插入，有助于提高倍率性能。由于负极比容量明显大于正极比容量，则需要调控正负极活性物质的质量比来实现器件的最大能量密度。本发明通过固定负极活性物质装载量、改变正极活性物质装载量来寻找正负极活性物质质量的最优配比，以实现钠离子电容器的最高的能量密度。

电极材料是储能器件中最重要的部分，电极材料主要有碳材料、金属氧化物、合金、金属硫化物等类型。碳材料具有成本低廉，高导电性和循环稳定性，目前已经成为了储能器件的主要电极材料。碳材料中，高的比表面积，分级的孔道结构和片层类石墨烯结构能够有利于电解液离子的传输和吸附，从而获得高的电化学性能。另外，碳材料引入异质杂原子如氮，硫，磷等元素会在碳表面产生缺陷，与电解液离子发生氧化还原反应，大大的提高碳材料的电化学储能能力。为了得到杂原子掺杂的多孔片状碳材料，合适的前驱体和活化剂极其重要。本发明利用碱金属硝酸盐作为活化剂和氮源，不仅调控了碳材料的形貌，而且在碳骨架中引入了氮原子，实现了优异的储钠性能。

发明内容

本发明的目的是通过硝酸盐辅助合成法得到具有较高比表面积、片状结构、氮掺杂的碳材料，该氮掺杂碳材料采用海洋生物红藻的提取物-卡拉胶为原料，制备出的碳材料具有优异的电化学性能，并且将此碳材料应用在钠离子电池和混合钠离子电容器上，通过调节钠离子电容器正极与负极活性物质的质量比，来达到最高的能量密度。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

(1) 取一定量的卡拉胶粉末加于40倍质量的去离子水中，在80℃油浴中完全溶解并保持恒温，加入一定量的碱金属硝酸盐活化剂水溶液，卡拉胶与活化剂的质量比为10:1~1:1。充分搅拌使卡拉胶溶液与活化剂溶液混合均匀后，自然冷却至室温，形成卡拉胶-碱金属硝酸盐胶体，然后将上述胶体放入冷冻干燥机干燥以彻底除去水分，得到的物质记作物料A；