[发明专利]一种氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料及其制备方法

说明书

本发明属于无机材料制备和电池材料技术领域，涉及一种碳氧双掺杂多孔空心碗形碳材料及其制备方法，该材料为碳质的碗形结构颗粒，分散性高，粒径分布窄，粒径可控，颗粒内部存在空心结构，形貌呈凹陷碗状，壁厚可控，碗壁上存在许多孔洞，孔包括微孔和介孔，比表面积高；具有氮氧元素双掺杂的特性。用于高体积比容量、循环稳定性的钾离子电池负极。钾离子电池由于钾全球储量丰富和氧化还原电压值低的特点，被认为是取代传统的价格高昂的锂离子电池候选者之一，但是，钾离子尺寸较大，导致钾离子电池尚缺少比容量高，循环稳定性和倍率性能好的电极材料。本发明材料用于钾离子电池电极，达到了增强钾离子电池稳定性，提高倍率性能，同时提高电池的体积比容量的目的。

技术领域

本发明属于无机材料制备和电池材料技术领域，具体涉及一种氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料及其制备方法，用于高体积比容量、循环稳定性的钾离子电池负极。

背景技术

近年来，由于锂资源的稀缺和成本的上升，车辆、电子设备，特别是大型固定存储系统等领域，对新型能源存储技术的需求日益增长，目标是取代传统的价格高昂的锂离子电池。其中，钾离子电池被认为是候选者之一。钾元素不仅全球储量丰富，而且其氧化还原电压值低于另一种廉价金属——钠，与锂元素相当(钾的值为-2.93V，钠的值为-2.71V，锂的值为-3.04V)。目前钾离子电池的主要问题在于，钾离子的尺寸较大，直径为大于钠离子和锂离子如此大的尺寸阻碍了钾离子在电极材料中的可逆嵌入和脱出，从而导致钾离子电池具有较低的比容量，循环稳定性和倍率性能。例如在锂离子电池中使用的石墨电极材料，在用于钾离子电池时往往无法容纳多量的钾离子，电池的库伦效率低、循环稳定性能差。

电极粉体中引入空心结构是提高二次电池循环稳定性的重要策略之一。颗粒内部存在的空间可以显著缓解离子的嵌入/脱嵌带来的应力集中，但简单的空心结构材料，如空心球，往往由于其内部过大的空腔空间，存在粉体振实密度低进而导致电池体积能量密度低的缺陷。空心碗形材料，是基于空心球进一步设计的材料，不仅有空心球形材料低密度、封装性、高比表面积和薄壁等特点，由于碗形具有弱对称性，可以发生堆栈行为，与空心球形材料相比，碗形材料具有更高的振实密度，进而作为电极材料时可以提高其体积能量密度。

基于上述考虑，本发明利用专利(一种空心碗状碳材料的制备方法CN201910032940.1)所描述的水热碳质空心碗形材料，提出了一种化学活化结合煅烧掺杂来制备氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料的方法，并将该材料应用于钾离子电池电极，达到了增强钾离子电池稳定性，提高倍率性能，同时提高电池的体积比容量的目的。

发明内容

本发明目的是制备一种氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料，所述方法步骤简单，成本低廉。

一种氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料，该材料的结构特征在于：

该材料为碳质的碗形结构颗粒，分散性高，粒径分布窄，粒径可控，颗粒内部存在空心结构，形貌呈凹陷碗状，壁厚可控，碗壁上存在许多孔洞，孔包括微孔和介孔，比表面积高。该材料具有氮氧元素双掺杂的特性。

本发明同时提供一种制备上述氮氧双掺杂多孔空心碗形碳材料的方法，其制备方法包括如下步骤：

a、以水为溶剂，以可溶性生物质化学试剂或者直接生物质为原料制备水热碳质球形碳粉体，具体如下：对于可溶性生物质化学试剂，以一定浓度直接溶于水中形成前驱体液，对于直接生物质，先进行榨汁，得到清澈的汁液，以此为前驱体液；该上述前驱体液加入一定比例的表面活性剂，混合后放入水热反应釜保温一段时间后，洗涤后干燥，得到水热碳质空心碗形碳；

b、将水热碳质空心碗形碳与含有一定浓度的造孔剂溶液混合，并超声混合，搅拌一定时间，并进行干燥；

c、将干燥后的粉末装入石英舟中置于管式炉中在氨气气氛下以一定升温速度至一定温度并保温一段时间；