[发明专利]一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池中的应用

说明书

一种氮磷氯共掺杂碳材料，氮的掺杂量为5％‑10wt％，氯的掺杂量为7％‑30wt％，磷的掺杂量为7％‑13wt％。其制备方法为：将PCl₅和NH₄Cl加入到含氯有机溶剂中进行溶剂热反应；将生物质粉料加入溶解热反应产物中搅拌，对搅拌后的混合物进行离心、洗涤、干燥，得到氮磷氯共掺杂碳材料前驱体；在惰性气体的保护下，将氮磷氯共掺杂碳材料前驱体进行高温热处理，得到氮磷氯共掺杂碳材料。该氮磷氯共掺杂碳材料作为锂电池导电剂应用在锂电池中。本发明采用氮磷氯共掺杂碳材料相比于传统的氮掺杂碳材料可以为离子与电子的传输提供更多优良的通道，同时具有较强的稳定性，并提高锂离子电池的能量密度和循环性能。

技术领域

本发明属于碳材料的制备领域，尤其涉及一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池中的应用。

背景技术

锂电池在充放电循环中，正负极极片上有电流通过时，就会有净反应发生，表明电极失去了原有的平衡状态，电极电位将偏离平衡电位，就产生了极化。锂电池极化可以分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化。极化电压是反应锂离子电池内部电化学反应的重要参数，如果极化电压长期不合理，则会导致负极锂金属析出加快，严重情况下会刺穿隔膜导致短路。根据锂电池初期实验数据，单纯依靠活性物质的导电性是不足以满足电子迁移速率要求的，为了使电子能够快速移动归位，出现了导电剂的加入。导电剂的首要作用是提高电子电导率。导电剂在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻，提高锂电池中电子的迁移速率，降低电池极化。此外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，从而提高锂电池的使用寿命。

传统的锂离子电池为一般为碳材料，但是传统碳材料导电剂的添加量高达正极材料质量的0.5％，影响了锂离子电池的能量密度，因此，随着锂离子电池的能量密度要求的提高，导电剂的用量也是越少越好。

异元素掺杂多级孔碳可以改善锂离子电池的能量密度和循环性能，但是目前的元素掺杂多级孔碳中异元素的掺杂量较低、掺杂元素单一，对锂离子电池的能量密度和循环性能改善有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种氮磷氯共掺杂碳材料及其制备方法和其在锂电池导电剂中的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种氮磷氯共掺杂碳材料，所述氮磷氯共掺杂碳材料中，氮的掺杂量为5％-10wt％，氯的掺杂量为7％-30wt％，磷的掺杂量为7％-13wt％。

上述的氮磷氯共掺杂碳材料，优选的，所述氮磷氯共掺杂碳材料的比表面积为5-2500m²/g，电导率为180-4*10³S/m。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的氮磷氯共掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PCl₅和NH₄Cl加入到含氯有机溶剂中进行溶剂热反应；

(2)将生物质粉料加入步骤(1)后的反应产物中搅拌，对搅拌后的混合物进行离心、洗涤、干燥，得到氮磷氯共掺杂碳材料前驱体；

(3)在惰性气体的保护下，将所述氮磷氯共掺杂碳材料前驱体进行高温热处理，得到氮磷氯共掺杂碳材料。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，溶剂热反应的温度为80-200℃，反应的时间为1-5h。

上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，搅拌在常温下进行，搅拌的时间为3-15h；干燥为真空干燥，干燥的温度为60-120℃，时间为4-24h。