[发明专利]一种氮掺杂多孔石墨烯类碳纳米片材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔石墨烯类碳纳米片材料及其制备方法和应用，采用水热处理过的氧化镁为模板，双氰胺为氮源，聚糠醇为碳源，先经过水热反应得到含碳氮的前驱体，再在惰性气体的保护下经高温碳化在氧化镁模板上生成掺氮多孔碳纳米片，然后采用盐酸溶液去除模板，并经过去离子水的反复清洗去除杂质离子，最终得到氮掺杂多孔碳纳米片材料；通过该制备方法制备得到的氮掺杂多孔碳纳米片材料中氮的掺杂含量更高，能为电化学反应提供更多的活性位点和缺陷，从而具有更好的电化学性能；应用在锂离子电容器中，能显著改善锂离子电容器正负极间动力学不匹配和循环寿命衰减的问题，有利于锂离子电容器的发展和应用。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料领域，特别涉及一种氮掺杂多孔石墨烯类碳纳米片材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着风力发电、光伏发电、可移动电子设备等领域的快速发展，对储能器件提出了越来越苛刻的性能要求。开发具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命的储能器件是当前的研究目标。在目前商业化的二次化学电源中，锂离子电池和超级电容器是两种最常用并且最有效的储能设备。然而，锂离子电池虽然具有很高的能量密度（120-200 Wh kg^-1），但由于其离子缓慢的扩散动力学限制，导致了其具有的功率密度（< 1 kW kg^-1）低，循环寿命较短（数千次）。相反地，超级电容器拥有超高的功率密度（2-5 kW kg^-1）和超长的循环寿命（10⁵次），但由于其储能机理是依靠电荷的物理吸附/脱附过程，导致其能量密度较低（仅为7 Wh kg^-1左右）。锂离子电容器作为一种新型的储能器件，在结构上结合使用了锂离子电池的负极材料作为负极，采用超级电容器电容型材料作为正极，因而兼具了这两种器件的优势，能够输出高能量密度、高功率密度以及保持长久的循环寿命。

迄今为止，已经有多种锂离子电容器器件结构被构造出来，例如：石墨-活性炭、钛酸锂-活性炭、硬碳-活性炭、Fe₃O₄/石墨烯复合物-三维石墨烯、软碳-活性炭、二氧化钛-石墨烯、氧化铌/碳-活性炭、五氧化二钒碳纳米管复合物-活性炭等等。通过对现有锂离子电容器电极材料的分析发现，正极通常采用活性炭作为电极材料，但是由于其基于物理性电荷存储机理，比容量只有30-35 mAh g^-1，因而限制了锂离子电容器能量密度的进一步提高；另一方面，负极材料中，嵌入型的负极材料（例如石墨、碳酸锂、氧化铌等）结构稳定性好，但是容量低（< 400 mAh g^-1）；转化型正极材料（例如氧化铁、氧化锰）以及合金型正极材料（锡、硅）比容量高但是循环稳定性和倍率性能差。通常而言，由于负极上发生的锂离子嵌入、脱出速率慢于正极上发生的物理性电荷吸附、脱附速率，往往造成正负极间动力学不匹配和循环衰减，使得锂离子电容器器件的整体性能受限，因此，开发合适、可靠的正、负极电极材料是一个潜在的、有效解决当前锂离子电容器性能瓶颈的研究方向。

研究发现：采用硼-氮双掺杂的纳米纤维、氮掺杂的碳球等氮掺杂碳材料同时作为锂离子电容器的正极和负极材料，构造对称结构的锂离子电容器器件，可以有效的解决正负极间动力学不匹配和循环寿命衰减的问题；同时，进一步研究发现，掺杂的氮原子数量决定了赝电容电化学反应所需丰富空位和活性位点的数量，直接影响了氮掺杂碳材料的电化学性能，因此，提高碳材料中掺杂的氮原子数量，是提高氮掺杂碳材料的电化学性能的有效手段。但现有的氮掺杂碳材料由于原材料或工艺条件的限制，导致得到的氮掺杂碳材料中氮原子含量较低 (< 10 atom %)，从而导致其电化学性能较差，对解决锂离子电容器正负极间动力学不匹配和循环寿命衰减的效果并不显著。

发明内容