[发明专利]磷量子点复合多孔硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种磷量子点复合多孔硬碳材料及其制备方法和作为锂金属离子电池负极材料的应用，以生物前驱体为原材料直接碳化制备多孔硬碳，通过热流分散法制备磷量子点溶液，两者混合后干燥即可制备成磷量子点掺杂的多孔硬碳负极材料。碳材料的复合可以增加磷的电导率，多孔结构可以适应磷体积膨胀，使得磷量子点掺杂的多孔硬碳材料有更好的电化学性能。本发明磷量子点复合多孔硬碳材料用于提高碱金属离子电池比容量、提高循环稳定性能。该复合负极提高了碱金属离子二次电池的倍率性能与循环性能，有助于推进高能量密度、高稳定性的碱金属离子电池二次电池的发展。

技术领域

本发明涉及碱金属离子（锂、钠、钾）二次电池负极材料的技术领域，具体涉及一种磷量子点复合多孔硬碳材料及其制备方法和作为锂金属离子电池负极材料的应用。

背景技术

实现安全、经济、环境友好并且可持续的能量存储设备已经成为21世纪重大的科学挑战。碱金属电池在多种便携式电子设备和能量存储系统中有着非常广泛的应用。随着世界范围内科学和技术的发展，碱金属电池技术仍然不能满足日益增长的需求。

负极材料是电池的重要的组成部分，常用的几种是碳质材料、过渡金属氧化物（硫化物）、金属合金和有机复合物，目前研究最接近应用目标的是碳材料。碳材料有丰富的资源，成本低廉，特别是生物质源的无序碳，由于其生产成本低，能耗低，生产流程简单，被广泛研究。然而对于大规模产业化应用来说，碳材料的容量远不能满足市场需求。

磷具有丰富的储量和7倍于碳材料（372 mAh g^-1）的理论容量（2596 mAh g^-1）。然而，较低的电导率（≈10^-12 S m^-1）以及循环过程中的体积效应（＞300%-500%），限制了磷在高循环稳定电池中的应用。因此，改善磷弱导电性和体积效应，是构建高性能电池负极材料的关键。

目前磷与碳材料的复合基本处于机械混合，包括球磨和手工研磨等，之后再进行高温处理阶段，也取得了成果。但总体来说，制备过程中磷与碳的结合机理没有完整地解释，磷的颗粒较大，与碳材料的结合力较差且与碳材料的耦合过程中沉积不均匀，限制了其容量的发挥，同时磷材料固有的体积变化大，结构不稳定，容易粉化失效的情况并未很好的解决。因此制备并应用量子点的磷与碳材料耦合，由于磷的量子点效应，可以有效解决与碳材料结合力差、沉积不均匀、结构稳定性差等问题，实现稳定的高性能的量子点磷与碳材料的复合电极材料的构建。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种磷量子点复合多孔硬碳材料及其制备方法和作为锂金属离子电池负极材料的应用，该方法通过液体状态磷量子点与碳材料的均匀混合，形成均匀的磷量子点复合多孔硬碳碱金属离子电池负极材料，处理方式简单，绿色经济，材料来源广泛，可实现大规模的应用。

一种磷量子点复合多孔硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将生物碳前驱体与去离子水混合，通过机械粉碎，形成高浓度浆状前驱体，将浆状前驱体放入冷干机中冷冻干燥后，在惰性气体保护下，进行碳化，获得多孔碳；

2）将磷与去离子水置于水热反应釜中，进行水热反应，过滤后收集沉淀物，配制尿素水溶液，将沉淀物溶解于尿素水溶液，沉降后取上清液，用离心机对上清液进行进一步分散离心后，取上清液，得到磷量子点溶液；

3）将步骤1）制备的多孔碳与步骤2）制备的磷量子点溶液混合后，放入冷干机中冷冻干燥后，在氮气或惰性气体保护下，升温至100~300℃保温反应0.5~2h，制得磷量子点复合多孔硬碳材料（即磷量子点掺杂的硬碳材料）。

步骤1）中，所述的生物碳前驱体为任意生物碳材料，从材料来源角度可以为动物碳材料、植物碳材料、菌类碳材料等，从材料结构角度可以为棒状、球状、纤维状、不规则形状等。优选为豆类或者动物碳，N含量高，提高整个多孔碳材料的导电性并提供更多的储钠位点。进一步优选，所述的生物碳前驱体为黄豆、虾壳或者苹果。