一种氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种超薄氮磷共掺杂柔性碳纤维膜锂/钠离子电池负极材料的备方法，属于电化学和新能源材料领域。本发明直接将滤纸和水合肼水热后得到掺氮滤纸，再与尿素溶液混合干燥，放入到气氛管式炉中煅烧，滤纸在高温下碳化形成碳纤维纸，尿素在高温下分解产生气体，使碳纤维纸剥离成超薄碳纤维膜，得到氮磷共掺杂的碳纤维膜。氮磷共掺杂碳纤维膜中，造成碳纤维的缺陷和改变其能带结构，提高材料的比容量和锂离子扩散速率。碳纤维在材料内部形成三维导电网络，提高材料的导电性能。该电极材料具有良好的力学柔韧性能，适合用于制作柔性电极，无任何添加剂，作为锂/钠离子电池负极材料，表现出了超高的比容量和优异的循环稳定性。
【专利说明】
一种氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法
技术领域
[0001]本发明公开了一种氮磷共掺杂碳纤维膜柔性负极材料及其制备方法，属于电化学和新能源材料领域。
【背景技术】
[0002]可弯曲折叠的柔性电子器件在近几年广泛受到人们的喜爱，而柔性锂离子电池是柔性电子器件的核心部件。传统的锂离子电池主要是将活性材料、导电剂、粘结剂混合涂覆在金属集流体上，经过烘干辊压而成，粘结剂的加入降低了电极材料的电子电导率，阻碍了锂离子在电极材料中扩散，增加了电极材料的极化。而导电剂几乎不贡献容量，所以导电剂和粘结剂的存在会降低电池的能量密度。另外，传统的锂离子电池负极材料是以铜箔作为集流体，铜箔集流体降低了电池的能量密度。在较大弯曲变形的情况下，活性材料与集流体易于发生脱离，进一步影响材料的电化学性能。所以无粘结剂、导电剂和集流体的自支撑柔性电极材料可以显著提高材料的能量密度与弯曲条件下的电化学性能。
[0003]杂质原子如氮、磷、硫、硼等掺入碳材料内部可以改变材料的能带结构，降低锂离子扩散速率，同时造成材料的结构缺陷，提高碳材料的储锂性能。氮掺杂碳材料已经被广泛研究，并显著提高了材料的比容量与循环稳定性能。黄云辉等人采用含氮前驱体的聚苯胺纤维制备出高含氮量的多孔碳纤维，在2 A g—1电流密度下循环600次后的比容量为943 mAhg^{Adv.Mater.2012, 24，2047)。氮磷共掺杂的石墨烯也显示出较高的比容量，50 mAg—1 电流密度下可逆容量达到2250 mAh g^CACS Appl.Ma ter.1n ter faces 2014, 6，14415)。氮硫共掺杂的碳微球作为钠离子电池负极材料也显示出较高的可逆容量和优异的循环稳定性能，在500 mA g—1电流密度下循环3400次后的可逆容量为150 mAh g^l{Adv.Energy Mater.2016, 6, 1501929.)。这些研究进一步证实了掺杂可以提高碳材料的储锂容量。
[0004]综上分析，结合自支撑柔性电极的特点以及掺杂碳材料的二者优势，氮磷掺杂的自支撑的柔性碳纤维电极可以显著提高碳电极材料作为锂/钠离子电池负极材料的比容量与循环稳定性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是在于提供一种氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材及其制备方法。该方法是将普通的定性含磷滤纸和水合肼置于水热釜中水热得到含氮滤纸前驱体，再将一定浓度的尿素溶液加入到此含氮滤纸中，然后将灌满尿素的含氮滤纸在高温保护气氛下煅烧，最终形成氮磷共掺杂柔性碳纤维膜，该碳纤维膜可直接作为锂/钠离子电池负极材料，无需粘结剂与集流体的加入。
[0006]本发明的目的是这样实现的:一种氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料及其制备方法，其工艺步骤:
(I)将定性滤纸和水合肼置于水热釜中90 0C-200 0C水热1-24小时得到掺氮滤纸，滤纸与水合肼的质量比为100-300;
(2)将尿素溶液灌入到此掺氮滤纸中，尿素与掺氮滤纸的质量比为1-20:1-3之间，进一步干燥；
(3)将灌入尿素的含氮滤纸放在管式炉中煅烧，煅烧温度为500°C-1200°C，保温1-10小时。煅烧过程中，滤纸碳化形成碳纤维，尿素在高温下热解产生气体将滤纸剥离形成碳膜，最终得到氮磷共掺杂柔性碳纤维膜。
[0007]本发明所述滤纸是定性含磷滤纸。
[0008]本发明提供的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，具备以下有益效果:
(I)所制备的柔性电极材料不需要金属集流体、粘结剂和导电碳等添加剂，直接作为电极材料，有利于提高电极的能量密度和功率密度，也可作为轻质量的柔性集流体。
[0009](2)该法制备的电极材料中掺杂有氮磷两种元素，能有效的提高碳材料导电性和增加碳材料内部的结构缺陷，进一步提高碳材料的比容量。
[0010](3)该法制备的氮磷共掺杂碳纤维膜电极材料具有超轻的质量，超薄的厚度，显示出良好的机械柔韧性能。
[0011 ] (4)空心碳纤维形成三维导电网络，可提高电子的传输与离子的扩散。
[0012]本发明采用一种简单大规模方法制备氮磷共掺杂空心碳纤维膜，该氮磷共掺杂碳纤维膜显示出良好的机械柔韧性能，作为锂/钠离子电池负极材料表现出超高的比容量和超好的循环稳定性能。本发明以普通滤纸为碳源，首先采用水合肼水热掺杂氮，然后将一定浓度的尿素溶液灌入到滤纸中，进一步高温热解。高温热解过程中，滤纸碳化为空心碳纤维，尿素热解产生气体，可将碳纸剥离成较薄的碳膜，同时进一步掺杂氮。由于滤纸纤维中含有磷元素，最终形成氮磷共掺杂的空心碳纤维膜。该碳纤维膜厚度大约10微米，质量密度约为I mg/cm2，并且显示出良好的机械柔韧性能。该碳膜可直接作为锂/钠离子电池负极材料，避免了粘结剂和集流体的加入，显示出超高的比容量和优异的循环稳定性能。另外，该法制备的碳膜也可以作为集流体，沉积正极活性材料或负极活性材料，该集流体与现有的铝箔和铜箔集流体相比，显示出较轻的质量，可以显著提高整电池的能量密度。这种方法尚未见任何文献和专利报道。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的弯曲照片。
[0014]图2为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的X-射线衍射(XRD)图谱。
[0015]图3为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的扫描电镜照片(SEM)，其中a为放大100倍率的附图，b为放大1000倍率的附图。
[0016]图4为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料X射线光电子能谱图(XPS)。
[0017]图5为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料作为锂离子电池负极材料的前2次充放电曲线。
[0018]图6为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料作为锂离子电池负极材料的循环稳定性能。
[0019]图7为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料作为钠离子电池负极材料的首次和第10次充放电曲线。
[0020]图8为本发明实施例1制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料作为钠离子电池负极材料的循环稳定性能。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合具体实例对本发明进一步说明。
[0022]实施例1:氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料I
将普通的定性滤纸(20 cm2,0.16 g)和水合肼(I mL)置于水热釜中120°C水热12小时得到掺氮滤纸，然后将掺氮滤纸浸泡于预先配置的尿素溶液(0.5 g mL—3中，随后自然干燥，然后将灌满尿素的含氮滤纸(滤纸与尿素质量比为1:16)放在气氛炉(氮气)中煅烧，煅烧温度为550°C保温2小时，再继续升温至900°C，保温2小时。煅烧过程中，含氮滤纸碳化成掺氮碳纤维，尿素高温分解成氨气进一步掺杂氮，尿素分解产生的气体将碳纸剥离成超薄碳膜，最终得到氮磷共掺杂柔性碳纤维膜。图1为制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜照片，从照片可以看出碳纤维膜显示出良好的机械弯曲性能。图2为制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜XRD图谱，可以看出在24.5°有一个宽化的衍射峰，说明碳纤维膜主要为无定形碳。图3为制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜的XPS图谱，可以看出分别在132、285、401和531 eV附近出现特征峰，分别对应于磷、碳、氮、氧元素，结果证实所制备的碳膜为氮磷共掺杂碳材料。氮憐共惨杂可以提尚碳材料的导电性，在碳材料内部制造大量结构缺陷，从而提尚碳材料的储锂/钠性能。图4为中制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜的SEM照片，可以看出碳纤维直径约为10 μπι，长度可到500 μπι，同时从高倍的SEM可以看出碳纤维为典型的空心结构，大量碳纤维相互交错连接在一起，为电子的传输和离子的扩散提供了良好的通道。所制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜作为锂/钠离子电池负极材料显示出较高的比容量和优异的循环稳定性能。将该电极直接作为工作电极，锂片为对电极，电解液为通用的锂离子电池电解液I MLiPFe/DMC: EC=1:1，制备2025型纽扣电池，以I A g—1的电流密度充放电。该电极的前2次充放电曲线如图5所示，可以看出，该材料的首次放电容量为1200 mAh g—S首次可逆充电容量为661 mAh g—\第二次可逆容量为670 mAh g—1。图6为该电极在I A g—1的电流密度下的循环稳定性能，可以看出，500次循环之后，该电极的可逆容量仍然高达1000 mAh g—S这可能归因于氮磷共掺杂提高了碳纤维的活性，增加了其可逆容量。同时将该电极作为钠离子电极负极材料，也显示出较高的容量和优异的循环稳定性能。将制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜直接作为工作电极，金属钠为对电极，I M NaPFe/DMC: EC( 1:1)为电解液，组装成2025纽扣电池，以100 mA g—1电流密度进行恒流充放电测试。该电极的首次充放电和第10次充放电曲线如图7所示，首次嵌钠容量为590 mAh g—1，首次脱钠容量为222 mAh g—S第10次循环的可逆容量为233 mAh g—1。该电极作为钠离子电极负极循环稳定性能如图8所示，以100 mA g—1电流密度循环100次之后的可逆容量仍高达311 mAh g—1。这些结果证实该法制备的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜作为锂/钠离子电池负极材料均显示了较高的可逆容量和优异的循环稳定性能。
[0023]实施例2氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料Π 将普通的定性滤纸(30 cm2,0.24 g)和水合肼(I mL)置于水热釜中100°C水热4小时得到掺氮滤纸，然后将掺氮滤纸浸泡于预先配置的尿素溶液(0.4 g mL—3中，随后自然干燥，然后将灌满尿素的含氮滤纸(滤纸与尿素质量比为1:12)放在气氛炉(氮气)中煅烧，煅烧温度为100tC，保温3小时，最终得到氮磷共掺杂柔性碳纤维膜。该电极材料测试条件如实施例I中所述，作为锂离子电池负极材料，以I A g—1电流密度进行充放电，首次可逆容量为620mAh g—S 200次循环后的可逆容量为730 mAh g—、
[0024]实施例3氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料m
将普通的定性滤纸(40 cm2,0.32 g)和水合肼(2 mL)置于水热釜中110°C水热3小时得到掺氮滤纸，然后将掺氮滤纸浸泡于预先配置的尿素溶液(0.3 g mL—3中，随后自然干燥，然后将灌满尿素的含氮滤纸(滤纸与尿素质量比为1:10)放在气氛炉(氮气)中煅烧，煅烧温度为90(TC，保温4小时，最终得到氮磷共掺杂柔性碳纤维膜。该电极材料测试条件如实施例1中所述，作为锂离子电池负极材料，以I A g—1电流密度进行充放电，首次可逆容量为600mAh g—1JOO次循环后的可逆容量为710 mAh g—、
[0025]实施例4氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料IV
将普通的定性滤纸(50 cm2)和水合肼(2 mL)置于水热釜中150°C水热6小时得到掺氮滤纸，然后将掺氮滤纸浸泡于预先配置的尿素溶液(0.3 g mL—3中，随后自然干燥，然后将灌满尿素的含氮滤纸放在气氛炉(氮气)中煅烧，煅烧温度为100tC，保温5小时，最终得到氮磷共掺杂柔性碳纤维膜。该电极材料测试条件如实施例1中所述，作为锂离子电池负极材料，以I A g—1电流密度进行充放电，首次可逆容量为590 mAh g—1，200次循环后的可逆容量为690 mAh g_1D
【主权项】
1.一种氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，其特征在于:将滤纸与水合肼在90-200°C下水热反应l-24h得到掺氮滤纸，然后将掺氮滤纸浸泡于尿素溶液中，灌满尿素后自然干燥，得到灌满尿素的掺氮滤纸，将该灌满尿素的掺氮滤纸放在氮气气氛炉中，在500-1200°C下煅烧1-1Oh得到氮磷共掺杂碳纤维膜，即氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料。2.如权利要求1所述的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，其特征在于:滤纸和水合肼的水热温度为120°C，水热时间为12小时，滤纸与水合肼的质量比为100-300。3.如权利要求1所述的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，其特征在于:尿素与掺氮滤纸的质量比为1-20:1-3。4.如权利要求1所述的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，其特征在于:灌满尿素的掺氮滤纸在氮气气氛下，在550°C下煅烧2h，后升温至900°C下煅烧2h。5.如权利要求1所述的氮磷共掺杂柔性碳纤维膜负极材料的制备方法，其特征在于:尿素溶液的浓度为0.1-0.5 g/mLo
【文档编号】H01M10/054GK106099055SQ201610441306
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】陶华超, 熊凌云, 朱守超, 杨学林
【申请人】三峡大学