[发明专利]基于褐藻egg-box结构的储锂用掺氮多孔碳正极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于褐藻egg‑box结构的储锂用掺氮多孔碳正极材料的制备方法，包括：先利用浸泡法将含氮化合物负载在预交联的褐藻前驱体中，然后利用碳化、酸洗的方式制备得掺氮的介孔碳中间体，最后利用化学活化获得掺氮多孔碳材料。本发明利用交联在碳化中间体中引入有序的介孔结构，这些介孔为后续化学活化提供了更高的活化面积，同时通过在前驱体中浸入含氮化合物，精简了传统的掺氮方式，氮元素的掺杂提高了多孔碳材料的表面化学反应活性。因此制备出的掺氮多孔碳材料既传承了褐藻原有的三维多孔通道，又具有人工调控的小介孔和掺氮石墨化碳等特质，作为锂离子混合电容器正极，具有丰富的离子和电子传输通道和良好的表面化学活性。

技术领域

本发明涉及储锂碳材料技术领域，具体地，涉及一种基于褐藻egg-box结构的储锂用掺氮多孔碳正极材料的制备方法。

背景技术

煤炭、石油等化石燃料的大量粗放式消耗，不仅带来了全球范围内的能源危机，也带来了严重的环境污染问题和气候问题。太阳能、风能、地热能、潮汐能等新型清洁型能源不能在时间和空间上被连续使用。发展储能技术已经是全球研究热点。超级电容器和锂离子电池是目前应用最广泛的储能器件。超级电容器利用电极材料的静电吸附作用来储能，反应速度快，功率密度高(>10kW kg^-1)，循环寿命长(>10 万次)，但是能量密度有限(基于水系电解液一般<10Wh kg^-1)。锂离子电池利用电极材料的电能-化学能转化来储能，能量密度高(150-200Wh kg^-1)，但是反应速度慢，功率密度低(<1000W kg^-1)。

锂离子混合电容器是近年来提出的一种综合锂离子电池和超级电容器的优点的新型储能器件。锂离子混合电容器通常以法拉第反应型材料作为高能量负极，以吸附型材料作为高功率正极，以含锂盐的有机溶液为电解液，有望同时拥有高能量密度和高功率密度。传统的吸附型正极材料通常是微孔型活性炭，这种材料具有大量的不可调控的微孔结构(<2nm)，难以存储。因此，在实际操作中，传统的吸附型活性炭材料在锂离子电解液中的容量通常有限，极大地限制了整个锂离子混合电容器的能量密度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于褐藻egg-box结构的大容量储锂用掺氮多孔碳正极材料的制备方法。

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种高容量的基于褐藻egg-box结构的锂离子混合电容器用掺氮多孔碳正极材料的制备方法；即利用褐藻的egg-box交联结构制备一种具有均匀介孔结构的表面氮掺杂的碳材料。具体为针对褐藻细胞壁中的褐藻酸成分与多价金属阳离子交联形成均匀分散的“egg-box”纳米结构，利用浸泡法将尿素等含氮化合物负载到褐藻生物结构中，通过碳化、酸洗、活化的方法制备新型掺氮多孔碳材料。这种方法制备的掺氮多孔碳材料既传承了褐藻原有的物质传输通道，又在褐藻碳表面和内部引入了均匀分布的小介孔，具有丰富的分级孔通道。其中的介孔结构是由褐藻酸与金属阳离子交联形成的“egg-box”结构碳化酸洗后形成的，这些介孔结构可以为后续的活化提供更高的活化面积，因此制备出来的碳材料孔通道相互连通，更加适合锂离子的传输和存储。与传统的椰壳活性炭相比，本发明的碳材料富有源自“egg-box”结构的小介孔，更适合锂离子的快速传输和存储；与介孔碳相比，该碳材料具有源自褐藻本身的大孔结构和后活化形成的微孔结构，因此具有分级孔道、更高比表面积的优势，更能快速传输和存储更多锂离子。与传统的先制备多孔碳材料，再在所得多孔碳材料表面掺氮的方法相比，本发明中掺氮多孔碳的制备方法在碳前驱体中就引入了氮元素的来源尿素、硫脲或三聚氰胺，精简了制备工艺，并且掺氮效果良好，增加了材料的表面活性。因此所得的掺氮多孔碳材料作为正极材料在锂离子电容器中，展现出了更高的容量和更优的倍率性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种掺氮多孔碳正极材料的制备方法，包括如下步骤：