[发明专利]一种氮掺杂硬碳材料、其制备方法及其作为负极的钾离子电池

说明书

本发明涉及一种氮掺杂硬碳材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将植物资源酸洗，然后浸渍于氮源水溶液中，制得预产品；(2)在保护性气氛下，对预产品进行热处理，制得氮掺杂硬碳材料。所述氮掺杂硬碳材料具有多孔结构，氮原子分布在所述硬碳材料内部及表面，氮含量为1～10wt％，比表面积小于100m²/g。所述氮掺杂硬碳材料具有容量高、首次库伦效率高于50％、循环性能好且倍率性能优异等特点，用于钾离子电池负极材料领域，制备工艺简单，性能可控，具有普适性和可放大性。

技术领域

本发明属于硬碳材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂硬碳材料、其制备方法及其作为负极的钾离子电池，所述氮掺杂硬碳材料用于钾离子电池领域。

背景技术

目前，锂离子电池已经被广泛商业化应用，然而，有限的锂资源已经使锂离子电池无法有效满足动力和大规模储能的需求，近年来，许多新型替代储能电池应运而生并迅速发展，主要包括钠离子、钾离子、镁离子、钙离子等二次电池。

钾离子电池作为新型替代储能电池具有许多优势，钾源在地壳中的含量丰富、价格低廉；钾离子电池与锂离子电池氧化还原电势接近；在有机电解液中有比Li⁺更高的离子电导率；以石墨为负极时有更高的平台电压等。目前已报道的钾离子电池负极材料的研究较少，研究的重点还是集中在碳材料尤其是硬碳材料上。但硬碳储钾的机理以及钾离子较大的尺寸对负极提出更高的要求，如多级分布的孔道结构，较大的层间距等。

CN108358188A公开了一种二次电池碳负极材料及其制备方法，将碳源在保护气氛下进行球磨2～40h，得到二次电池碳负极材料。所述碳负极材料具有很大的比表面积及缺陷，但由于比表面积较大，首次库伦效率较差。

CN107275578A公开了一种强碱活化柚子皮制备三维碳纳米材料的方法，将柚子皮清洗干净后进行冷冻干燥，加入硫酸溶液进行水热反应，得生物质前驱体，然后将生物质前驱体洗涤抽滤烘干后与强碱混合在管式气氛炉中碳化，得碳化产物，将碳化产物进行洗涤抽滤，干燥后得到三维碳纳米材料。所述负极材料具有三维多孔连通的纳米结构，具有较大的比表面积，但所述材料孔径较小，不能满足钾离子电池嵌/脱要求。

CN107331867A公开了一种用作钠离子电池负极材料的氮掺杂多孔碳材料制备方法，属于氮掺杂多孔碳的制备方法。借助于简单易行的高温固相反应法，通过调控反应过程中各参数，实现对氮掺杂碳材料的控制合成，并将其应用作钠离子电池负极材料。所述氮掺杂多孔碳材料的合成方法简单，操作步骤可控性高，且易于扩大生产，但所述材料孔径较小，不能满足钾离子电池脱/镶嵌要求。

所以本领域需要开发一种用于钾离子电池的碳负极材料，使其具有稳定的分级多孔结构，比容量大，循环稳定性好，首次库伦效率高，适于工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂硬碳材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将植物资源酸洗，然后浸渍于氮源水溶液中，制得预产品；

(2)在保护性气氛下，对预产品进行热处理，制得氮掺杂硬碳材料。

本发明利用植物本身的形貌及结构，通过控制植物向硬碳转化过程中的热处理条件，使制得的碳材料继承植物本身的分级多孔形貌结构。同时，由于构成细胞壁的纤维结构中存在大量的氧原子，碳化过程中碳原子六角形环形成的层状结构零乱而不规则，进而形成大量空穴及边缘等缺陷，有利于钾离子的吸附和储存。

本发明通过控制热处理条件，可以调控碳材料的层间距，有利于提高钾离子在石墨层中的扩散，从而提高储钾性能。

本发明制备的碳负极材料，中间没有活化过程，因此碳材料的比表面积在100m²/g之内，从而有较高的首次库伦效率。