[发明专利]一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料、制备方法及其应用

说明书

本发明一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料、制备方法及其应用，本发明的制备方法包括：(1)将氮源、氟源和盐模板与去离子水混合后得到混合溶液进行强磁力搅拌，再进行冷冻和冷冻真空干燥，对其产物进行刮料磨料，最后进行高温固相反应使其充分反应，得到样品；(2)将步骤(1)所述样品抽滤，真空烘干后得到活性物质，将活性物质与粘结剂PVDF和导电炭黑以及NMP溶剂混合，得到浆料涂覆到铜箔上，获得负极；(3)将步骤(2)所述负极在真空下进行烘干，进行裁片并在手套箱中配制电解液，装电池，并在电池制备完成后测试性能；本发明提供的氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料导电性好，比容量高，倍率性能和循环性能好。

技术领域

本发明涉及新能源材料领技术领域，具体涉及一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料、制备方法及其应用。

背景技术

由于锂离子电池有着能量密度大、质量轻、体积小、循环性能好、环境友好和无记忆效应等优势，被广泛应用于电子产品、电动汽车和大规模储能等各个领域。但锂资源在地壳中的匮乏和分布不均等问题，不足以满足人们对锂离子电池日益增长的需求，这严重制约了锂离子电池大规模的应用。所以，开发资源丰富、成本低廉、性能优异的新型二次电池，已经成为电池材料领域新的发展趋势和研究热点。

近年来，钠和钾离子电池受到了研究者们广泛的关注，被认为是取代锂离子电池成为下一代储能电源的理想选择，因为钠、钾与锂属于同主族元素，具有相似的物理化学性质。同时，由于钠、钾元素分布广泛，资源丰富，价格低廉等优点，较为符合规模化储能应用要求。因此，钠/钾离子电池做为新型储能器件也受到了众多研究者们的广泛关注。但是，由于钠和钾离子的半径都比锂离子大，对能够自由脱嵌钠和钾离子的电极材料的要求更加严格。当利用传统的石墨负极作为钠离子电池负极时，钠离子嵌入与脱出时比容量较低，严重制约钠离子电池的发展。虽然传统的石墨负极能够可逆的脱嵌钾离子，但作为钾离子电池负极时理论比容量仅为279mAh/g。因此，研究开发一种新的钠和钾离子电池负极材料显得十分重要。

最先认为氮在碳材料以两种形式存在，分别称为化学态氮和晶格氮。前者容易与锂发生不可逆反应，使不可逆容量增加，因而认为掺有氮原子的碳材料不适合作为锂离子电池的负极材料。然而，同样的化学气相沉积法和同样的原料(吡啶)，所得的结果不一样。其充放电结果表明，随复含量的增加，可逆容量增加，并超过了石墨的理论容量。在聚合物裂解炭中，碳材料的可逆容量也随氮含量的增加而增加，具有高理论比容量、高化学稳定性、高导电性、低成本和充放电过程极化较小等优点。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料、制备方法及其应用，本发明提供的氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料的合成其在钾离子电池中的导电率高，比容量高，循环和倍率性能好，原材料廉价易得，制备过程简单，操作可控度强。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料，所述电极材料包括一种碳材料基体以及掺杂在所述碳材料基体的氮氟原子，其中，所述电极材料比表面积为280 m²/g；所述碳材料基体为三维多孔碳。

本发明还公开了一种氮氟原子掺杂三维多孔碳的电极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将氮源、碳源、氟源和溶盐模板与去离子水混合后得到混合溶液进行强磁力搅拌，再进行冷冻和冷冻真空干燥，对其产物进行刮料磨料，最后进行高温固相反应使其充分反应，得到样品；

(2)将步骤(1)所述样品抽滤，真空烘干后得到活性物质，将活性物质与粘结剂PVDF和导电炭黑以及NMP溶剂混合，得到浆料涂敷在铜箔上，即可得到负极；

(3)将步骤(2)所述负极进行裁片，装电池，并在电池制备完成后测试电化学性能。

优选的，步骤（1）所述溶盐模板为氯化钠；所述氮源和氟源为氟化铵；碳为柠檬酸。