【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碱金属离子电池碳基负极材料，尤其涉及一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、锂离子电池自商业化应用以来，一直主导便携式储能设备、电动汽车等领域，然而，锂资源的短缺和分布不均导致了无法满足未来大规模储能的需求。因此，亟需寻找新型储能器件来代替传统锂离子电池。锂、钠和钾都属于碱金属元素，且碱金属离子电池均具有相似的电化学反应机理，表现为相同的“摇椅”式充放电形式，同时除了锂元素以外，钠和钾元素在地壳中的储量都较丰富，更易获得，成本低廉，因此备受世界各国研究者的关注。但是，钠钾离子的半径比锂离子大，导致传统石墨材料在钠钾离子嵌入和脱出过程中会严重破坏石墨材料的层状结构，造成石墨材料的剥离，显著影响石墨的循环稳定性，无法满足实际的应用需求。
2、开发高性能的负极材料是碱金属离子电池成功的关键。其中，碳基材料因其丰富的、可调节的微观结构和化学稳定性引起了人们的特别关注。石墨作为锂离子电池中成功的负极材料，可以形成理论容量为372mah g-1的lic6插层化合物。但人们也在追求具有更高容量的碳基负极材料，且石墨在钠钾离子电池体系中的性能并不理想。现有技术中，为解决上述问题，提出了利用多孔结构和缺陷来提高碳基负极材料存储碱金属离子的性能，或者通过设计碳基材料的结构，如引入接触曲率界面设计来实现高石墨化碳基材料高效储存碱金属。
3、因此，如何提供一种界面活性位点多、多孔材料、结构稳定且循环性能好的碱金属离子电池负极材料是本领域技术人员亟需解决的技术问题。>
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料及其制备方法与应用。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
3、一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料，由氮掺杂多孔空心碳纳米球堆叠集成在一维碳材料上构成；
4、所述氮掺杂多孔空心纳米球的高斯平均曲率为0.01-0.3，且随着构成碳纳米球原子数量增多，其对应的高斯平均曲率越小；
5、所述一维功能材料的孔体积为0.5-0.7cm3·g-1，外径为200-300nm，比表面积为100-300m2·g-1。
6、有益效果：本专利技术借助静电纺丝技术结合煅烧工艺制备复合的一维碳纤维材料，在经过酸基水热过程和二氧化碳煅烧制造出独特的一维结构，具体为提供的产品具备高石墨化，结构上由石墨化氮掺杂多孔空心碳纳米球包裹碳纳米管堆叠集成构成，具有接触曲率界面，呈现多孔空心结构，可实现石墨化碳材料结构稳定和高度可逆的碱金属离子的脱嵌，由于接触曲率界面能有效提高碳基材料在费米能级处的电子密度，有助于提高碱金属离子在碳负极材料上的吸附能；将本专利技术提供的一维功能材料应用于碱金属离子电极材料中，组装成碱金属离子电池，呈现出比容量高、倍率性能好、循环稳定性强等特点，在高性能碱金属离子电池领域具有重要的应用前景。
7、一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，包括如下步骤：
8、以成碳的含氮聚合物、金属盐以及一维碳材料的混合溶液为原料，将其经静电纺丝、碳化、酸刻蚀及二氧化碳刻蚀后，即得到所述接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料。
9、有益效果：本专利技术中的金属盐能够催化石墨化，石墨化的多孔碳纳米球/碳纳米管复合骨架不仅可以提高复合电极材料的整体导电性，而且可以缓冲充放电循环中石墨化碳材料的的体积变化；该复合材料中的接触曲率界面结构加快了电子和离子传输速度，提高了反应动力学，展现出杰出的储存碱金属离子的能力。
10、优选的，所述成碳的含氮聚合物与溶剂的质量比为(5-20)：100；
11、所述金属盐、一维碳材料与含氮聚合物的质量比为(100-150)：(3-10)：100。
12、有益效果：本专利技术中的溶剂添加量仅影响电纺溶液的浓度，进而影响电纺纤维的一维结构，本领域技术人员可根据需要对溶剂的添加量进行调整。
13、优选的，所述成碳的含氮聚合物包括聚丙烯腈、聚吡咯、纤维素和聚氨酯中的一种或任意几种；
14、所述金属盐包括氯化钴、硝酸镍、硝酸钴和醋酸镍中的一种或任意几种；
15、所述一维碳材料包括纳米管、空心碳纳米线、碳纳纳米纤维中的一种或多种；
16、所述混合溶液的溶剂为n，n二甲基甲酰胺。
17、有益效果：本专利技术中使用的金属盐能够催化金属盐外层聚合物在煅烧过程中产生石墨化的碳层，而一维碳材料的作用是作为石墨化纳米球的内部骨架，有利于维持一维结构的同时可作为内部的电子通路，提高材料的导电性。
18、优选的，所述静电纺丝过程中正高压为21kv，纺丝速率为0.8ml·h-1，喷头和收集器之间的距离为15cm，环境湿度≤30％，滚动转速2000r·min-1。
19、优选的，所述碳化为在氮气气氛下进行，所述碳化的温度为700-1000℃，时间为2-8h。
20、优选的，所述酸刻蚀为将碳化后的复合纤维负极前驱体置于稀硝酸中进行水热反应。
21、优选的，所述稀硝酸的浓度为0.5-6mol/l；
22、所述水热反应的温度在120-180℃，时间5-10h。
23、有益效果：硝酸水热反应过程直接将镍颗粒和无定形碳去除，留下高石墨化的所述碳材料。
24、优选的，所述二氧化碳刻蚀的温度为550-950℃，时间为0.5-2h。
25、一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料在制备碱金属离子电池电极材料中的应用。
26、优选的，所述接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料应用于碱金属离子电池负极材料之中。
27、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
28、本专利技术提供的接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料可实现石墨化碳材料结构稳定和高度可逆的碱金属离子的脱嵌，其接触曲率界面结构加快了电子和离子传输速度，提高了反应动力学，展现出杰出的储存碱金属离子的能力，在高性能碱金属离子电池领域具有重要的应用前景。本专利技术提供的接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法具有制备过程简单高效、操作容易、成本低廉等优点，适合进一步推广。
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1.一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料，其特征在于，由氮掺杂多孔空心碳纳米球堆叠集成在一维碳材料上构成；
2.如权利要求1所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述成碳的含氮聚合物与溶剂的质量比为(5-20)：100；
4.根据权利要求3所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述成碳的含氮聚合物包括聚丙烯腈、聚吡咯、纤维素和聚氨酯中的一种或任意几种；
5.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述碳化为在氮气气氛下进行，所述碳化的温度为700-1000℃，时间为2-8h。
6.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述酸刻蚀为将碳化后的复合纤维负极前驱体置于稀硝酸中进行水热反应。
7.根据
8.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳刻蚀的温度为550-950℃，时间为0.5-2h。
9.如权利要求1所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料在制备碱金属离子电池电极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料，其特征在于，由氮掺杂多孔空心碳纳米球堆叠集成在一维碳材料上构成；
2.如权利要求1所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述成碳的含氮聚合物与溶剂的质量比为(5-20)：100；
4.根据权利要求3所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于，所述成碳的含氮聚合物包括聚丙烯腈、聚吡咯、纤维素和聚氨酯中的一种或任意几种；
5.根据权利要求2所述的一种接触曲率界面结构修饰的空心碳纳米球一维功能材料的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈育明，李轩，王亚新，佟丽娟，李小燕，吴军雄，陈潇川，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：
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