[发明专利]一种氮掺杂碳基储锂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学储能技术领域，公开了一种氮掺杂碳基储锂材料及其制备方法和应用。本发明制备方法包括以下步骤：(1)将含有纤维结构的碳源、含锂熔盐和活化剂均匀混合；(2)将混合物在800℃‑1000℃的温度下进行碳化活化反应；(3)反应结束后，酸洗、过滤、干燥，即可得到氮掺杂碳基储锂材料。本发明使用纤维状布料为碳源进行碳化活化反应，获得了含有大量的纤维毛刺的碳基材料，纤维毛刺结构为锂离子的传输提供了通道，增强了锂离子与活性材料的接触面积。本发明以高性能掺氮活性碳粉末作为电极，具有良好的充放电可逆性和倍率性能，在提高比容量的同时保证材料的稳定性，全面提升了材料的电化学性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，更具体地，涉及一种氮掺杂碳基储锂材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料由于其高电导率、可调节的微结构和出色的稳定性而作为电极材料受到广泛的关注。尤其是石墨、碳纳米管和石墨烯等，作为碳材料中的后起之秀，具有特定的结构和出色的理化性质，但其存在制备过程复杂、成本高、收率低以及环境污染大等问题。因此，寻找绿色、高效和低成本的碳材料制备方法具有重要意义，而富碳前体的生物质被认为是最有前途的候选者。

现有技术中，对富碳前体生物质的改性方法较多，但大多数是制备多孔结构的碳材料或者是选择特定结构的生物质，在碳化过程中保持这种结构。如CN109647474A公开了一种氮掺杂碳材料、其制备和应用，具体公开了以葡萄糖为原料，以三聚氰胺为氮源，先将葡萄糖在惰性气氛下煅烧至一定温度制备碳底物，再将烧制好的碳底物与三聚氰胺按一定比例混合于水溶液中，随后加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下再次低温煅烧，完成后即可得到氮掺杂碳材料。又如CN103985884A公开了一种氮掺杂碳纳米材料、其制备方法及应用，具体公开了(1)将表面活化的碳纳米材料与含氮络合物，按照质量比例1:1至1:5均匀混合，得到前驱体混合物；(2)将步骤(1)中获得的前驱体混合物在保护气体环境下，升温至800℃至1000℃，煅烧2小时至10小时。

然而，这些改性方法较少涉及新结构的产生，很难从根本上改变材料的整体电化学性能，换句话说，很难在提高容量的同时保证材料的稳定性。因此，现在技术仍缺少一种整体提升电化学性能的氮掺杂碳基储锂材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有纤维毛刺结构的碳基材料制备方法，该方法制备的碳基材料表面产生了大量的纤维毛刺，这种结构为锂离子的传输提供了通道，增强了锂离子与活性材料的接触面积，改善了材料的储锂性能；同时，氮原子掺杂为材料表面提供了大量的活性位点，提高了材料的可逆容量。本发明的详细技术方案如下所述。

一种氮掺杂碳基储锂材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含有纤维结构的碳源、氮源、含锂熔盐和活化剂均匀混合；

(2)将混合物在800℃-1000℃的温度下进行碳化活化反应；

(3)反应结束后，酸洗、过滤、干燥，即可得到氮掺杂碳基储锂材料。

作为优选，所述碳源为纺织纤维布，所述活化剂为硝酸盐和三聚氰胺的混合物，所述硝酸盐为硝酸钾、硝酸钠中的一种。

作为优选，所述含锂熔盐为氯化锂与氯化钾按质量比(1-2):(1-2)混合而成。

作为优选，所述碳源、三聚氰胺、含锂熔盐和硝酸盐的质量比为(1-2):(1-2):(10-16):(2-4)。

作为优选，所述步骤(2)中碳化活化反应通入了氮气或氩气进行保护。

作为优选，所述步骤(2)中升温速率为2-5℃/min，反应时间为2-4h。

作为优选，所述步骤(1)中混合均匀，是将所述碳源、所述含锂熔盐和所述活化剂加入去离子水，搅拌煮沸，然后干燥去掉水分。