[发明专利]一种异原子掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了异原子掺杂碳材料及其制备方法和应用。该方法所制备的掺杂碳材料是一种蜂窝状三维多层级孔结构材料：大孔是由相互交联的片状物构筑，而片状物由纳米颗粒堆叠而成，纳米颗粒之间分布无规的介孔和微孔。其制备方法是：先将聚丙烯腈溶解到N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，然后将含有目标掺杂原子的试剂(一种或多种)加入其中，再进行溶剂热反应得到前驱体，所述前驱体置于保护气氛中煅烧，即可得到纳米尺寸均一、电化学性能优异的单一或多原子掺杂碳材料。将其用作钠离子电池负极材料，钠离子电池表现出较高的比容量、优异的倍率性能和超长的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及异原子掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用；属于钠离子电池电极材料制备技术领域。

背景技术

近年来随着对锂离子电池的深入研究，以及各种消费类电子产品和电动汽车的需求量迅速增长，加速了锂离子电池产业化规模的扩张。然而，锂资源在地壳中的丰度很低(0.002％)，且分布极不均匀，极大限制了锂离子电池在大规模储能方面的应用。

与锂相比，钠资源在地壳中丰度高(2.36％)，分布广泛，并且与锂有很相似的物理化学性质，当用作锂离子二次电池时，也为“摇椅式”工作原理。

目前商业化的锂离子电池的负极材料主要为石墨，其理论比容量为372mAh/g，市面上性能较好的石墨负极材料的比容量已经能达到360mAh/g，克容量逐渐趋于极限值。然而当石墨用于钠离子电池的负极材料时，其表现出的比容量很低(小于100mAh/g)，这一方面是因为钠离子的半径(0.102nm)大于锂离子的半径(0.076nm)；另一方面，根据Goddard等人通过密度泛函(DFT)分析，表明Na-石墨化合物是热力学不稳定的。在充放电的过程中，钠离子在电极材料中嵌入/脱嵌较难，主体材料膨胀/收缩的体积变化大，材料容易产生更大的应力变化，材料晶体结构瓦解，循环稳定性差。因此，不能将锂离子电池中成功应用的材料简单移植到钠离子电池体系，开发能够高效、稳定储钠的电极材料是研究的重点。

虽然石墨化碳材料没有表现出理想的储钠性能，但是通过结构设计、成分设计、电解液改性等策略，可以显著提高其在钠离子电池中的电化学性能。例如，通过纳米化手段制备空心结构的碳纳米球，既可以缓解其在嵌钠/脱钠过程中的体积应变，也可以稳定空心碳球表面的SEI膜，提高材料的循环稳定性；也可以通过异原子掺杂，扩大碳材料的层间距，便于钠离子的嵌入和脱出，同时提供更多的反应活性位点，提高材料的储钠性能。然而，目前仍然存在结构设计策略复杂、掺杂原子百分比低、掺杂含量难以控制等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种比表面积大、具有蜂窝状三维多层级孔结构的异原子掺杂碳材料。

本发明的第二个目的在于提供一种制备方法简单、条件温和、产物形貌均一的异原子掺杂碳材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述异原子掺杂碳材料在钠离子电池上的应用。所得钠离子电池表现出高放电比容量、优异的循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种异原子掺杂多孔碳材料，所述异原子掺杂碳材料具有蜂窝状三维多层级孔结构，其中，大孔由相互交联的片状物构筑，大孔直径为1～5μm，片状物由纳米颗粒组成，纳米颗粒之间分布介孔和微孔，纳米颗粒的大小为50～100nm。

优选的方案，所述杂原子选自硼、氮、磷、硫中的至少一种。

在本发明中，所提供的异原子掺杂碳材料具有蜂窝状三维多层级孔结构，因此具有较大的比表面积，可提供更多的反应活性位点，有利于提高材料的储钠容量和循环稳定性。同时本发明所提供的异原子掺杂碳材料既可以是单原子掺杂也可以是多原子掺杂，发明人发现，本发明的掺杂的杂原子为氮或氮、硼或氮、磷或氮、硫或氮、硼、硫或氮、磷、硫或氮、硼、磷或氮、硼、磷、硫中8种组合时，均可以获得理想的结构与材料性能。