[发明专利]一种掺杂多孔碳负极材料、其制备方法及碱金属离子电池

说明书

本发明提供了一种掺杂多孔碳负极材料、其制备方法及碱金属离子电池，该材料包括多孔碳骨架和分布在所述多孔碳骨架中的掺杂元素，所述多孔碳骨架主要包括纳米孔，所述掺杂元素为氧和氟。本发明首次提出了氧氟共掺杂的多孔碳负极材料，氧和氟共掺杂能很好地调控碳的电子结构，提升了导电性，增大了碳的层间距，提供了更多的缺陷和活性位点，可增加对钾离子的吸附能力，从而提升了钾离子等碱金属离子电池的比容量和倍率性能。所述负极材料具有大比表面积和丰富的纳米孔道结构，可提供钾离子和电子传输的快速通道，确保了其倍率性能优异。该材料中三维多孔碳骨架能有效缓解钾离子脱嵌造成的体积膨胀，使其构成的碱金属离子电池具有良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于二次电池材料技术领域，具体涉及一种掺杂多孔碳负极材料、其制备方法及碱金属离子电池。

背景技术

在二次电池材料中，锂离子电池广泛应用于便携式电子器件，但是锂资源的匮乏和分布不均严重制约了锂离子电池的发展，尤其是在大规模储能领域。因此，近年来，由钠、钾、铝、钙等元素组成的新型替代金属离子电池受到科学家们的关注。其中，钾离子电池因其独特的优势脱颖而出。首先，与地壳中的锂储量(20ppm)相比，钾的储量十分丰富(17000ppm)，因而钾离子电池占据成本优势。其次，钾的电极电势为-2.93V，与锂的-3.04V相近，较低的电势有利于提高电池的能量密度；钾离子电池还具有高的离子迁移率和离子电导率。此外，钾离子电池可以采用铝箔作为集流体，从而减轻电池重量，提升能量密度。更重要的是，石墨等碳材料可以用作钾离子电池负极材料，这使得现有的锂离子电池制造工艺有望直接应用于钾离子电池。

然而，与锂离子尺寸(1.52埃)相比，钾离子尺寸(2.72埃)更大，导致钾离子电池存在容量低、倍率性能差、循环稳定性差等缺点。因此，寻找合适的钾离子电池负极材料对于改善电池性能是至关重要的方法之一。碳材料具有导电性好、价格低廉、安全环保等优点，是非常有前景的一类钾离子电池负极材料。自从研究人员发现钾离子可以在石墨层间嵌入和脱出以来，多种碳材料开始被开发并应用于钾离子电池负极，其中包括石墨、石墨烯、碳纳米管、多孔碳等等。

但是，石墨储钾的理论比容量仅有279mA h g^-1，比储锂的理论比容量小30％；同时石墨嵌钾后会发生约61％的体积膨胀，导致碳结构的坍塌，从而造成电池较低的循环稳定性。因此，开发一种使钾离子电池具有高容量和长循环寿命的负极材料仍然是一项挑战。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种掺杂多孔碳负极材料、其制备方法及碱金属离子电池，本发明提供的掺杂多孔碳负极材料具有良好的导电性、较大的比表面积和较好的结构，由其构成的碱金属离子电池具有比容量高、循环稳定性好等特点。

本发明提供一种掺杂多孔碳负极材料，其包括多孔碳骨架和分布在所述多孔碳骨架中的掺杂元素，所述多孔碳骨架主要包括纳米孔，所述掺杂元素为氧元素和氟元素。

优选地，所述掺杂多孔碳负极材料的粒径为70～90nm，比表面积大于1500m²/g。

本发明提供一种掺杂多孔碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供具有多孔结构的金属有机框架材料；

S2、将所述金属有机框架材料进行高温碳化处理，然后与氢氟酸混合反应，经固液分离，得到含有氧和氟元素的掺杂碳基材料；

S3、将所述掺杂碳基材料进行热解处理，得到掺杂多孔碳负极材料。

优选地，所述步骤S1为：采用溶剂热法，合成得到具有多孔结构的锆基金属有机框架材料。

优选地，所述步骤S1具体为：将四氯化锆溶于DMF中形成溶液A；将对苯二甲酸和苯甲酸溶于DMF中形成溶液B；将所述溶液A和溶液B混合后加热反应，分离得到白色产物；将所述白色产物依次经洗涤、干燥，得到锆基金属有机框架材料。