一種應用于鋰離子電池的氮摻雜碳氣凝膠的制備方法與流程

文檔序號：12474678閱讀：940來源：國知局

本發明屬于儲能電池領域，具體涉及一種應用于鋰離子電池的氮摻雜碳氣凝膠的制備方法。

背景技術：

氣凝膠可以看做是凝膠顆粒分散在氣體介質中形成的一種三維網絡結構固態材料。將有機氣凝膠在一定條件下碳化即可獲得具有很大孔隙率、質量非常輕的碳氣凝膠。碳氣凝膠具有極大的孔隙率、較大的比表面積、低的密度、較好的導電能力，而且，可以以整塊的形式直接應用于電極，避免使用粘結劑，因此，是一種具有潛力的電極材料。

碳氣凝膠一般采用酚類化合物和甲醛為原料，形成酚醛凝膠，再通過一定的干燥方法后碳化得到。氮與碳原子的直徑相近，氮原子對碳原子的替代使晶格發生的畸變較小，因而相對容易。而且，氮的摻雜可以在石墨型碳結構中引入氮原子的孤對電子，從而增強材料的導電性和化學活性。

張華民[Jin H,Zhang H M，et al.Nitrogen-doped carbon xerogel:A novel carbon-based electrocatalyst for oxygen reduction reaction in proton exchange membrane(PEM)fuel cell[J],Energy Environ.Sci,2011,4:3389-3394]等在溶膠-凝膠法基礎上，以硝酸鈷為氮摻雜催化劑，氨氣作為有效氮源，通過原位摻雜的方式獲得氮摻雜碳凝膠。然而，該方法使用氨氣過程中需要高溫，而氨氣爆炸極限較寬，操作過程較為危險。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種應用于鋰離子電池的氮摻雜碳氣凝膠的制備方法。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：一種應用于鋰離子電池的氮摻雜碳氣凝膠的制備方法，包含以下步驟：

(1)將間二苯酚和三聚氰胺加入濃度為1.2g/L的NaOH水溶液并攪拌，間二苯酚、三聚氰胺和NaOH的摩爾比為x:100-x:1，x＝10～90；然后加入37wt％的甲醛溶液或乙醛溶液，所述甲醛或乙醛的摩爾數是間二苯酚和三聚氰胺的摩爾總數的一半，在50～70℃下攪拌至澄清。

(2)將步驟1中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將步驟2中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，。

(4)兩天后，將步驟3處理后的的濕凝膠烘干，獲得氣凝膠。

(5)將步驟4中獲得的氣凝膠放入管式爐中，在600～900℃下碳化2～5h，得到氮摻雜碳氣凝膠。

進一步地，所述步驟1中，攪拌溫度優選為60℃。

進一步地，所述步驟1中，所述x優選為50。

進一步地，所述步驟3中，所述丙酮的溫度為50℃。

進一步地，所述步驟4中，烘干溫度為50℃。

進一步地，所述步驟5中，碳化溫度優選為800℃，碳化時間優選為3h。

進一步地，還包括采用KOH、CO₂、H₂O或HPO₃對步驟5得到的氮摻雜碳氣凝膠進行活化的步驟；

用KOH進行活化的具體工藝為：將氮摻雜碳氣凝膠與KOH按質量比1:4比例混合，在N₂下700～900℃活化2h，然后用濃度為1M的鹽酸清洗殘余鹽分，再用水洗至PH為6～7。

用CO₂或水蒸氣活化的具體工藝為：在CO₂或水蒸氣氣氛下，在600～800℃下活化1h以上。

用HPO₃活化的具體工藝為：將氮摻雜碳氣凝膠加入質量濃度為45％～70％的HPO₃的水溶液中攪拌2h；HPO₃與氮摻雜碳氣凝膠的質量比為2.7:1，在500～800℃下活化2h。然后用濃度為1M的鹽酸清洗殘余鹽分，再用水洗至PH為6～7。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

1、本發明以三聚氰胺為氮源、間苯二酚-三聚氰胺-甲醛為碳源的氮摻雜碳氣凝膠，其碳材料摻雜氮，且具有分級孔分布，應用于鋰離子電池負極，具有高的能量密度及功率密度。

2、本發明提供的碳凝膠負極材料具有高的氮摻雜量，因而具有優良的導電性、容量以及循環穩定性。

3、本發明提供的制備方法簡單有效，適用于大規模生產。

附圖說明

圖1為實施例3的容量及庫倫效率歲循環次數的變化圖；

圖2為實施例3的SEM圖片。

具體實施方式

實施例1

(1)以一定比例稱取間二苯酚和三聚氰胺，加入1.2g/L的NaOH溶液并攪拌，然后加入37wt％的甲醛溶液，在60℃下攪拌至澄清。其中，間二苯酚與三聚氰胺的摩爾比為9:1；NaOH與(間二苯酚+三聚氰胺)的摩爾比為1:100，甲醛：(間苯二酚+三聚氰胺)＝2:1。

(2)將(1)中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將(2)中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮溶液中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，共6次。

(4)將(3)中獲得的濕凝膠在50℃下烘干，獲得氣凝膠。

(5)將(4)中獲得的氣凝膠放入管式爐中，在700℃下碳化3h得到氮摻雜碳氣凝膠。所述的材料含氮量為2.82at％。

實施例2

(1)以一定比例稱取間二苯酚和三聚氰胺，加入1.2g/L的NaOH溶液并攪拌，然后加入37wt％的甲醛溶液，在60℃下攪拌至澄清。其中，間二苯酚與三聚氰胺的摩爾比為7:3；NaOH與(間二苯酚+三聚氰胺)的摩爾比為1:100，甲醛：(間苯二酚+三聚氰胺)＝2:1。

(2將(1)中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將(2)中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮溶液中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，共6次。

(4)將(3)中獲得的濕凝膠在50℃下烘干，獲得氣凝膠。

(5)將(4)中獲得的氣凝膠放入管式爐中，在700℃下碳化3h得到氮摻雜碳氣凝膠。所述的材料含氮量為3.82at％。

實施例3

(1)以一定比例稱取間二苯酚和三聚氰胺，加入1.2g/L的NaOH溶液并攪拌，然后加入37wt％的甲醛溶液，在60℃下攪拌至澄清。其中，間二苯酚與三聚氰胺的摩爾比為5:5；NaOH與(間二苯酚+三聚氰胺)的摩爾比為1:100，甲醛：(間苯二酚+三聚氰胺)＝2:1。

(2)將(1)中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將(2)中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮溶液中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，共6次。

(4)將(3)中獲得的濕凝膠在50℃下烘干，獲得氣凝膠。

(5)將(4)中獲得的氣凝膠放入管式爐中，在700℃下碳化3h得到氮摻雜碳氣凝膠，其SEM圖片如圖2所示。如圖1所示，該實施例制備的氮摻雜碳氣凝膠含氮量為19.69at％。其首次及第二次放電容量為1200mAh/g及500mAh/g，50次循環后可逆放電容量大于300mAh/g，其庫倫效率接近100％。

實施例4

(1)以一定比例稱取間二苯酚和三聚氰胺，加入1.2g/L的NaOH溶液并攪拌，然后加入37wt％的甲醛溶液，在60℃下攪拌至澄清。其中，間二苯酚與三聚氰胺的摩爾比為3:7；NaOH與(間二苯酚+三聚氰胺)的摩爾比為1:100，甲醛：(間苯二酚+三聚氰胺)＝2:1。

(2)將(1)中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將(2)中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮溶液中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，共6次。

(4)將(3)中獲得的濕凝膠在50℃下烘干，獲得氣凝膠。

(5)將(4)中獲得的氣凝膠放入管式爐中，在700℃下碳化3h得到氮摻雜碳氣凝膠。

試驗證明，該實施例制備的氮摻雜碳氣凝膠也具有含氮量較高、可逆放電容量較大、庫倫效率較高的特點。

實施例5

(1)以一定比例稱取間二苯酚和三聚氰胺，加入1.2g/L的NaOH溶液并攪拌，然后加入37wt％的甲醛溶液，在60℃下攪拌至澄清。其中，間二苯酚與三聚氰胺的摩爾比為1:9；NaOH與(間二苯酚+三聚氰胺)的摩爾比為1:100，甲醛：(間苯二酚+三聚氰胺)＝2:1。

(2)將(1)中獲得的澄清溶液轉移至密封容器中，在50℃下凝膠化1天，在80℃下陳化5天得到濕凝膠。

(3)將(2)中獲得的濕凝膠浸泡在丙酮溶液中進行溶劑替換，丙酮每8h更新一次，共6次。

(4)將(3)中獲得的濕凝膠在50℃下烘干，獲得氣凝膠。