[发明专利]一种磷碳材料及其原位合成方法和应用有效

专利信息
申请号: 202010899393.X 申请日: 2020-08-31
公开(公告)号: CN112018362B 公开(公告)日: 2022-07-12
发明(设计)人: 蒋凯;颜杰;王康丽;李威;王如星 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: H01M4/36 分类号: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054;H01M10/24
代理公司: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 陈灿;李智
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 材料 及其 原位 合成 方法 应用
【说明书】:

发明属于碱金属电池领域,公开了一种磷碳材料及其原位合成方法和应用。本发明原位合成方法包括以下步骤:(1)将磷源与碳源在混合装置中混合均匀,所述混合装置一端与载气储存装置连通,另一端与反应器连通;(2)开启载气储存装置,通过鼓泡法将磷源与碳源变成气体带入反应器中,启动反应器进行碳化反应生成成磷掺杂碳;(3)反应结束后,待反应器冷却收集黑色产物,即可获得磷碳材料。本发明通过使用无氧的低沸点碳源和硫源构建了一个原位合成超高掺杂水平的磷碳材料的体系,实现碳化和掺杂过程的同步进行,磷碳材料负极表现出非常优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于碱金属电池领域,涉及一种磷碳材料负极材料,更具体涉及一种磷碳材料及其原位合成方法和应用。

背景技术

钠离子电池正极材料选择较为广泛,性能也可以达到与锂离子电池正极材料接近的水平,但是由于钠离子半径比锂离子半径大,难以嵌入石墨与其形成稳定二元化合物,石墨储钠容量极低(20mAhg-1),钠离子电池的实用化一度迟滞不前,直至硬碳材料的开发才得到显著的发展。硬碳具有较高的储钠容量(~300mAh g-1)和低的放电平台,但是其循环性能,倍率特性有待改善,同时其容量很还需进一步提高。改善硬碳材料电化学性能的方式包括前驱体优化,微纳结构设计和杂原子掺杂。其中,杂原子掺杂最为有效,通过在碳骨架中引入大半径或电负性相差大的原子(如N,S,P等)可以有效拓宽碳层间距,引入丰富缺陷和改善导电特性,因而可大幅度提高硬碳的储钠容量,循环性能和倍率性能。P掺杂可以有效保留硬碳的低电位优势,然而,P掺杂碳储量容量提升有限。

P掺杂碳储量容量提升有限的缺陷是由于其掺杂量低(通常低于5wt%)而引入的活性位点较少所引起的。P掺杂量低的原因一方面是由于P自身原子较大同时与C成键造成晶格畸变大所引起的,这是自身属性,无法更改;另外一方面是由于P对O极度敏感,容易形成POx,而目前的合成体系中碳源(如PVP、PAN、GO、RGO等)和磷源(NaH2PO4,Na2HPO4,H3PO4,含P有机物等)的选择中都基本含O,这就导致P掺杂实际上是POx官能团的掺杂,而非真正意义上的P原子掺杂,这显然极大阻碍了P含量的提升,进一步阻碍了P掺杂碳容量的提升。

CN107634210B公开了一种高性能的锂/钠电池负极材料及其制备方法,采用水热法制备碳纳米管/多孔碳复合导电网络结构材料,采用升华-凝华法制备红磷/碳纳米管/多孔碳复合材料。该技术方案虽然提供了磷碳负电极制备方法,但碳化产物经过了水热处理,还有丰富的含氧基团,由前面的分析可知,P对O极度敏感,容易形成POx,极大阻碍了P含量的提升。

综上,现有技术仍缺少一种掺杂水平高、碳储量容量大的磷碳材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超高掺杂水平的磷碳材料及其原位合成方法及应用,创造性的选用具有低沸点、易蒸发同时具有很好混溶性的液态烃类碳源和磷源,构筑了一个无氧的、稳定的、持续的、分子级别均匀混合的P掺杂碳合成体系。本发明的详细技术方法如下所述。

一种磷碳材料的原位合成方法,包括以下步骤:

(1)将磷源与碳源在混合装置中混合均匀,所述混合装置一端与载气储存装置连通,另一端与反应器连通;

(2)开启所述载气储存装置释放载气,通过鼓泡法将磷源与碳源变成气体带入反应器中,启动反应器进行碳化反应生成成磷掺杂碳;

(3)反应结束后,待反应器冷却收集黑色产物,即可获得磷碳材料。

作为优选,所述磷源的沸点为20-200℃。

作为优选,所述磷源为三氯化磷,五氯化磷,三溴化磷中的一种或多种。

作为优选,所述碳源的沸点为20-200℃。

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