[发明专利]一种氮掺杂多孔硬碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种生物质衍化氮掺杂多孔硬碳负极材料的制备方法，主要应用于锂离子电池负极材料领域。其具体制备方法：1）将蚕茧对半剪开，浸泡在氯化钾溶液24‑36h；2）140‑160℃，4‑6h水热处理；3）将蚕茧60℃真空干燥6‑8h；4）将上述预备好的蚕茧置于管式炉中，氩气气氛，700‑1100℃煅烧3‑5h；5）取出上述产物，先用去离子水冲洗3遍，然后去离子水浸泡24‑36h后过滤，60℃真空干燥；6）粉碎，加入3‑5%沥青，混合30min；7）将混合物置于管式炉中，氩气气氛，800‑1200℃煅烧2‑4h，便可得到最终产物。此方法制备过程简便，原料容易获得，反应试剂绿色环保，最终产物具有多孔状微观结构，比表较大，富氮且分布均匀等优点。应用到锂离子电池负极材料方面，展示出了良好的倍率充电性能。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂多孔硬碳负极材料的制备方法及应用，属于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

“双碳”战略的提出，展示了我国践行绿色、环保、低碳发展的新趋势。新能源汽车、储能电站和数码工具领域的需求迅速爆发，而其中翘楚的锂离子电池备受市场的关注，同时也对锂离子电池提出更为严苛的要求，例如长寿命、快充、安全等。目前主流商业化的锂离子电池负极材料多为石墨碳材料，但其倍率性能较差等缺陷无法满足市场的需求，因此需从石墨材料本身出发进行改性设计。

石墨碳材料具有出色的导电性能、成熟的生产体系及丰富的原材料来源等优点。自从索尼公司成功开发出以石墨为负极材料的第一款商用锂离子电池，石墨碳材料也一直占据着负极材料市场的主要份额。一般石墨碳材料可以分为石墨、软碳和硬碳等。硬碳前驱体的来源主要分为天然产物和人工聚合物，生物质材料则属于一种常见的天然产物，如草本植物、木本植物以及生物质废弃物。

硬碳是指为难以被石墨化的聚合物热解碳，包括随机取向的短程有序的少层石墨层畴、纳米微孔和无定型碳区域。但是硬碳存在难以克服首次效率低、充电倍率性能较差等问题。

多孔结构具有发达孔隙以及较大的比表面积，而内部的缺陷则可提供丰富的储锂位点，增加充放电过程中的反应活性位点。同时丰富的孔隙分布可有效缩短锂离子在碳负极材料中的扩散距离，极大地加快离子转移，提高整体的倍率性能和循环寿命。而杂原子的引入也可以提高材料的电性能，如氮元素的掺杂，往往形成吡啶型氮、吡咯型氮和石墨型氮结构以及大π键电子分布，这些都有助于提升材料的导电性能。

生物质碳材料天然富含各种杂原子，如氮、硫等元素，通过造孔处理以及热解碳化之后就可以得到多孔结构，这些结构及杂原子的引入既增加了与电解液接触面积，提供更多的储锂位点，又可提升材料的导电性能和倍率性能。同时较大的比表面积，在首次充电活化过程中，便会生成更多的固态电解质界面膜，消耗更多的锂源，降低整体的首次效率。因此需要选择合适的造孔处理及热解碳化，对材料的多孔结构进行合理的调控，优化微孔、介孔、大孔的数量、尺寸及分布。本人选用KCl作为造孔剂，蚕丝作为碳源和氮源，通过KCl溶液浸泡，让造孔剂均匀分布在蚕丝表面，热解碳化及沥青包覆，可以得到氮掺杂多孔碳材料。这些都可以极大地加快离子转移，提高整体的倍率性能。

发明内容

本发明基于以上背景，提供了一种氮掺杂多孔硬碳负极材料得制备方法及应用。蚕丝作为原料，借助其天然含氮的特性，通过KCl溶液浸泡，热解碳化之后，可以得到氮掺杂多孔碳材料。通过调整KCl溶液浓度及热解碳化温度，继而调控多孔碳材料的比表面积与孔隙分布，最终得到氮掺杂多孔硬碳负极材料。在该设计模型中，多孔结构和杂原子的引入既增加了与电解液接触面积，提供更多的储锂位点，丰富的孔隙分布可有效缩短锂离子在碳负极材料中的扩散距离，极大地加快离子转移，提升材料的导电性能和倍率性能，有利于满足现有市场对于快充方面的需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明还提供一种氮掺杂多孔硬碳负极材料，其微观结构为蜂窝状和多孔结构，孔径分布在2-10nm，均匀分布在材料表面，比表面积5-15 m²/g，氮含量4-15%。