[发明专利]一种氮掺杂类石墨材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种氮掺杂类石墨材料及其制备方法和用途，所述氮掺杂类石墨材料包含碳元素、氮元素和氧元素，其中，氮原子数量与碳原子数量比为2.5％至5.0％，所述氮掺杂类石墨材料为类石墨结构，部分氮原子与碳原子形成石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮。所述的氮掺杂类石墨材料的制备方法，包括：S10非石墨碳源原料、氮源原料和水按比例混合成溶液；S20低温反应形成含氮前驱体；S30含氮前驱体高温还原煅烧。所述中氮掺杂类石墨材料具有良好的导电性能和优异的脱/嵌锂离子性能，表现为高可逆容量，优异倍率性能和循环性能，其制备方法原料来源广泛、产品一致性好，可实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及锂电池材料制备技术，尤其是一种氮掺杂类石墨材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池因具有优异性能而广泛应用于各种领域，其主要组成部分是正极、负极、隔膜及电解液，其中负极材料很大程度上决定了锂离子电池的能量密度。从锂离子电池实现商业化到现在，石墨是最成熟和应用最广的负极材料。石墨具有六元环碳网层状结构，碳碳之间是SP2杂化的，层层之间是分子作用力连接。石墨负极材料的比容量较低，最大理论容量为372mAh/g，而且存在首次不可逆容量大的缺点，导致其可逆比容量仅260mAh/g，不可逆比容量在100mAh/g以上。因此，石墨负极材料已经不能满足人们对高容量的锂离子电池的要求。

当前，研究者们主要采用表面处理、表面包覆和元素掺杂等方法对石墨负极进行改性研究，以改善其自身结构缺点，提升电池的性能。

发明专利申请CN108706578A公开了一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和电容器，该方案将石墨烯和氮源的混合物进行球磨；将所述球磨得到的产物进行煅烧，得到所述氮掺杂石墨烯。该方法采用以石墨烯为原料，目前石墨烯的售价较高，使得该方案的成本较高。另外，该方法制备的氮掺杂石墨烯应用于电容器领域，未涉及锂离子电池领域，领域不同，材料的技术要点不同。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的锂离子电池石墨负极材料可逆比容量低，循环性能差的问题，提供一种氮掺杂类石墨材料，利用氮掺杂技术对石墨负极材料进行改性，由于碳晶格中的氮原子能增加石墨的电子结构，显著改善石墨负极材料的电化学性能，使得锂离子电池的倍率性能和循环性能得到明显提高。具体的，以氮源材料和非石墨碳源材料作为原料，通过低温反应形成高氮含量前驱，随后利用高温煅烧还原而制备氮掺杂类石墨负极材料。所述方法为原位反应方法，可形成高比例的吡啶型氮(Pyridinic N)和吡咯型氮(Pyrrolic N)，氮掺杂类石墨作为负极材料，可明显改善石墨的导电性和脱/嵌锂性能。同时，相比于传统的表面改性和表面修饰等技术，该方法原料来源广泛、成本低、产品一致性好，可实现规模化生产。

本发明中，石墨型氮(Graphitic N)是指在六角网平面中三个碳原子相连接的氮原子；吡啶型氮(Pyridinic N)是指在六角网平面边缘的与两个碳相连的氮原子，其可给共轭π键提供一个电子和一对孤对电子；吡咯型氮(Pyrrolic N)是指带有两个电子并与π键共轭的氮原子。

本发明在制备思路方面上区别于传统的以石墨为原料，例如发明专利申请CN108706578A中制备采用石墨烯为原料，结合氮源煅烧实现氮掺杂，本案采用碳源和氮源的低温反应和高温煅烧还原，制备出类石墨材料，同时实现氮的原位掺杂，形成不同类型的氮掺杂原子(石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮)，氮源不仅起到与碳源进行低温反应形成类石墨材料的作用，同时也作为氮掺杂来源。

本发明所述的氮掺杂类石墨材料，氮原子数量与碳原子数量比为2.5％至5.0％，氮原子与碳原子形成石墨型氮(Graphitic N)、吡啶型氮(Pyridinic N)和吡咯型氮(Pyrrolic N)。其中，形成的吡啶型氮(Pyridinic N)和吡咯型氮(Pyrrolic N)的原子数量占氮原子数量的65％至85％。其中，氮掺杂类石墨材料含有氧元素，氧原子数量与碳原子数量比为2.0％至4.0％。