一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池材料技术领域，公开了一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：将碳源第一次升温碳化，降温后氧化消除表面效应，再进行第二次升温碳化得到多孔碳纳米材料；第一次升温碳化是把碳源放置在管式炉中，向管式炉中通入惰性气体，以1

【技术实现步骤摘要】
一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料
，特别涉及一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂资源的自然丰度低至0.0065％，难以支撑全行业电池的持续需求。伴随着锂资源的过度开采，锂危机出现，导致其价格的飞涨，使开发新型二次电池替代锂电池成为了迫在眉睫的需求。在众多二次电池中，钾具有较低的氧化还原电位，且可以嵌入石墨中形成稳定的石墨插层化合物KC8，其具有资源丰富、价格低廉等优势，而钠离子电池工作原理与锂离子电池相似，且具有较大成本优势。钠/钾二次电池被认为是替代锂离子电池最有前途的电池体系之二。

技术实现思路

[0003]为了解决上述现有技术存在的缺点和不足，开发高效的电极材料以满足对高性能低成本的需求，本专利技术的首要目的在于提供一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料的制备方法。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的多孔碳纳米材料。
[0005]本专利技术的再一目的在于提供一种上述多孔碳纳米材料的应用。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0007]一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料的制备方法，包括以下操作步骤：将碳源第一次升温碳化，降温后氧化消除表面效应，再进行第二次升温碳化得到多孔碳纳米材料。
[0008]所述碳源为柠檬酸铋铵、柠檬酸铋的一种或两种。
[0009]所述第一次升温碳化是把碳源放置在管式炉中，向管式炉中通入惰性气体，以1
‑
10℃/min的升温速率升温至600
‑
800℃，然后保温1
‑
3小时。
[0010]所述降温是在氮气氛围下冷却至室温；所述氧化消除表面效应是向管式炉中通入空气1
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3小时使碳化产物氧化从而消除表面效应。
[0011]所述第二次升温碳化是再次向管式炉中通入惰性气体，以1
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10℃/min的升温速率升温至1200
‑
2400℃，然后保温1
‑
3小时，待自然冷却后，得到多孔碳纳米材料。
[0012]一种由上述的制备方法制备的多孔碳纳米材料。
[0013]上述的多孔碳纳米材料在钠/钾离子二次电池负极材料中的应用。
[0014]一种由上述的多孔碳纳米材料制备而成的钠/钾离子二次电池负极材料的电池极片，该电池极片是将多孔碳纳米材料、导电剂和粘接剂按质量比70
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90：5
‑
15：5
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15一起放入球磨机，加入N
‑
甲基吡喏烷酮制成电极浆料，将所得电极浆料涂布到铜箔上，在70℃烘箱中烘干10小时，裁片得到钠/钾离子二次电池负极材料的电池极片。
[0015]所述导电剂为Super P、乙炔黑、科琴黑中的一种或多种，所述粘结剂为聚偏氟乙烯。
[0016]一种钠/钾离子二次电池，该电池是由钠片/钾片、隔膜、电解液、纽扣电池弹片、垫片、正负极壳以及上述的钠/钾离子二次电池负极材料的电池极片组装而成。
[0017]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0018](1)本专利技术采取了极其简单的方法成功制备了具有多孔结构的碳纳米材料，为工业大规模生产提供了可能性；并且制成的碳纳米材料性能优异，在0.1A/g的电流密度下，经过700次充放电测试，循环性能还能保持在150mAh/g。
[0019](2)本专利技术制备得到的多孔碳纳米材料，有利于钠/钾离子在碳纳米材料与电解质之间进行嵌入脱出，从而解决了现有技术中钠/钾离子电池的负极材料导电性、循环稳定性有待提高的技术问题。因此本专利技术材料具有较高的初始放电容量和循环稳定性，适用于钠/钾离子电池负极材料的发展要求。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例1制备的多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；
[0021]图2为本专利技术实施例1制备的多孔碳纳米材料的透射电镜照片；
[0022]图3为本专利技术实施例1制备的多孔碳纳米材料XRD能谱图；
[0023]图4为本专利技术实施例1制备的多孔碳纳米材料作为钠/钾离子电池负极材料组装的钠/钾离子电池负极在0.1A/g的电流密度下前700圈恒流循环充放电性能曲线图。
具体实施方式
[0024]下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。
[0025]实施例1
[0026](1)把碳源柠檬酸铋铵放置在管式炉中，通惰性保护气(氮气)。
[0027](2)以5℃/min的升温速率将管式炉升温至600℃，达到温度后保温2小时。
[0028](3)保温结束后，在氮气氛围下冷却至室温，之后缓慢通入空气1小时，使碳化产物氧化从而消除表面效应。
[0029](4)再次向管式炉中通入惰性保护气(氮气)，以5℃/min的升温速率升温至1400℃，然后保温2小时，待自然冷却后，得到多孔碳纳米材料。
[0030](5)通过原位分析型XRD射线衍射仪测试材料，判断铋元素是否除净。如图3所示，只有单纯的碳衍射峰，并无其他杂质。
[0031](6)通过透射电镜观察如图2所示，扫描电镜观察如图1所示，得到的所需碳纳米材料为多孔碳纳米材料。
[0032](7)钠/钾离子电负极极片制备方法：将上述制备的多孔碳纳米材料、导电剂和粘接剂按质量比8:1:1一起放入球磨机球磨10分钟后，加入N
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甲基吡喏烷酮制成电极浆料，将所得电极浆料涂布到铜箔上，在70℃烘箱中烘干10小时，裁片得到钠/钾离子二次电池负极极片。
[0033](8)钾离子二次电池的制备方法：将钾片、隔膜(玻璃纤维)、电解液(4M KFSI in DME)、纽扣电池弹片、垫片、正负极壳以及上述所得钾离子二次电池负极极片组装而成。
[0034](9)钠离子二次电池的制备方法：将钠片、隔膜(玻璃纤维)、电解液(1.0M NaPF6 in DME)、纽扣电池弹片、垫片、正负极壳以及上述所得钠离子二次电池负极极片组装而成。
[0035](10)测试方法：将上述制备的钾离子二次电池或钠离子二次电池进行恒流充放电测试，电流密度为0.1A/g，充放电电压区间为0.01V
‑
3V，前700圈恒流循环充放电性能曲线图如图4所示。
[0036]实施例2
[0037](1)把碳源柠檬酸铋铵放置在管式炉中，通惰性保护气(氮气)。
[0038](2)以2℃/min的升温速率将管式炉升温至700℃，达到温度后保温3小时。
[0039](3)保温结束后，在氮气氛围下冷却至室温，之后缓慢通入空气1.5小时，使碳化产物氧化从而消除表面效应。
[0040](4)再次向管式炉中通入惰性保护气(氮气)，以2℃/min的升温速率升温至1600℃，然后保温2小时，待自然冷却后，得到多孔碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于直接碳化得到的多孔碳纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将碳源第一次升温碳化，降温后氧化消除表面效应，再进行第二次升温碳化得到多孔碳纳米材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳源为柠檬酸铋铵、柠檬酸铋的一种或两种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一次升温碳化是把碳源放置在管式炉中，向管式炉中通入惰性气体，以1
‑
10℃/min的升温速率升温至600
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800℃，然后保温1
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3小时。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述降温是在氮气氛围下冷却至室温；所述氧化消除表面效应是向管式炉中通入空气1
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3小时使碳化产物氧化从而消除表面效应。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二次升温碳化是再次向管式炉中通入惰性气体，以1
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10℃/min的升温速率升温至1200
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2400℃，然后保温1
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3小时，待自然冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰祺，张海燕，李争晖，邱瑞欣，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：