[发明专利]氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法

说明书

本申请公开了一种氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法，涉及金属离子电池领域。本申请是将二维氮掺杂石墨烯C3N作为金属离子电池的阳极材料使用。它是在石墨烯的二维蜂窝晶格结构中均匀地掺杂氮原子，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。由于C3N独特的网状结构，C3N作为锂离子电池负极材料的理论容量达到1600mAh/g，当实现与锂离子电池相同的容量时，镁离子电池的形状变化很小，从而可以实现更大的理论容量。进而使得金属离子电池获得优良的电化学性质，包括：较优的电导率、优异的理论容量、高稳定性和快速响应。

技术领域

本申请涉及金属离子电池领域，特别是涉及氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，二维材料在能量存储装置中的应用越来越广泛，例如金属离子电池中的阳极。基于二维材料的可再充金属离子电池，由于其储能密度高、倍率性能好、循环稳定性好，引起了广泛的关注。寻找合适的阳极材料成了合成高性能金属离子电池所面临的重要挑战。

目前在商品化的锂离子电池中，由于石墨的低成本、高储能和好的循环性能，阳极材料多采用石墨，但低容量限制了它的发展。相比于石墨(≈372mAh/g)，二维碳基材料的代表石墨烯用作锂离子电池的阳极时，可逆容量可高达2000mAh/g。但是阳极材料的进一步发展仍主要受到大电压滞后的限制，并且用石墨烯制作阳极常常伴有锂枝晶形成的潜在风险。研究人员发现对石墨烯进行氮掺杂可以有效地调节其性质，且在氮掺杂石墨烯在合成过程中会存在缺陷，这有利于催化反应，这使得氮掺杂石墨烯成为金属离子电池领域中极具前景的材料。

发明内容

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种二维氮掺杂石墨烯C3N在金属离子电池中的应用，是将二维氮掺杂石墨烯C3N材料，作为金属离子电池的阳极材料使用。

可选地，所述的C3N是具有均匀氮原子分布的二维蜂窝晶格组成，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。

可选地，所述金属离子选自锂、钠、钾、镁、钙、铝中的一种。

可选地，所述二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池的阳极材料使用。

根据本申请的另一个方面，提供了一种金属离子电池的制备方法，其中，金属离子电池的阳极材料为所述的二维氮掺杂石墨烯C3N材料，所述制备方法包括：

步骤1，制备二维氮掺杂石墨烯C3N材料；

步骤2，用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极；

步骤3，制备金属盐电解液；

步骤4，将负极电极、二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备的阳极电极和镁盐电解液组装成电池。

可选地，所述步骤2用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极，包括：

将步骤1中制备得到的二维氮掺杂石墨烯C3N和添加剂在溶剂中混合，形成分散液；

将分散液均匀涂到电极基底表面；

将制备的电极基板在真空条件下干燥处理，制备出所述的二维氮掺杂石墨烯C3N电池阳极。