一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法及其在钠离子电池负极上的应用

本发明属于纳米材料，具体涉及一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法及其在钠离子电池负极上的应用。

背景技术：

1、锂离子电池因其比容量大，工作电压高等优点而被广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等电子设备中。然而，锂资源储量少、全球分布不均、价格昂贵等问题限制了锂离子电池的大规模发展。所以寻求替代或备选储能技术，正成为世界各国技术竞争的焦点。由于钠资源在地壳中储量丰富、安全性好等优点，关于钠离子电池的研究引起广泛关注。其中，开发高性能钠离子电池负极材料对于构筑高效钠离子电池体系具有重要意义。

2、在钠离子电池负极材料体系中，碳质材料因其价格低廉、导电性好等优点被广泛研究。然而，碳材料存在理论容量低、首次充放电效率低、能量密度低等缺点，限制了钠离子电池的发展。因此，研究人员尝试通过对碳质材料进行结构调控、组分改性、与其它高容量材料复合等手段以提高其放电比容量及能量密度。

3、煤沥青是一种碳含量高、价格低廉的碳质材料，以煤沥青为前驱体，通过可回收盐模板法可以对其结构及微观形貌进行调控，还可以与具有高比容量的金属材料(例如金属铋)等构筑复合材料以提高电极材料的整体能量密度。盐模板在制备纳米材料之后可以用水去除，对环境无污染，同时可以回收循环使用，有助于降低材料的制备成本。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了解决现有钠离子电池负极材料制备方法中的不足，本发明目的在于提供一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法及其在钠离子电池负极上的应用。以煤沥青为碳骨架前驱体材料，金属铋为电极活性材料，利用可回收的金属盐为模板，通过溶剂热和高温碳化法构筑氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极.该方法制备的电极材料具有性能优异、结构可控、价格低廉、操作高效、盐模板可回收反复利用等特点，具有广阔的应用前景。将该电极材料应用于钠离子电池负极中，表现出卓越的电化学性能。

3、本发明的第一个目的是提供一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法。

4、本发明的第二个目的是提供一种上述电极材料在钠离子电池负极上的应用。

5、为实现本发明的第一个目的，本发明采用如下的技术方案步骤：

6、(1)称取一定质量的聚乙烯吡咯烷酮和硫脲，量取一定体积的有机溶剂，将聚乙烯吡咯烷酮和硫脲溶解于有机溶剂中形成均匀的溶液；

7、(2)称取一定质量的五水硝酸铋加入有机溶剂中，于烧杯中均匀搅拌使其充分溶解，随后逐滴加入(1)中溶液中；

8、(3)将上述混合溶液置于30-80℃下充分搅拌30min，然后转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，在100-200℃的温度下进行溶剂热反应并保持2-10h，待反应完成后取出黑色粉末将其干燥，获得硫化铋纳米花粉末；

9、(4)将上述硫化铋纳米花粉末、煤沥青及金属盐按照一定比例混合，在磁力搅拌和超声波的作用下使其溶解分散于有机溶剂中，随后在通风橱中去除多余的有机溶剂得到深棕色混合物；

10、(5)将上述深棕色混合物置于流动气体的高温管式炉中，在氨气及氢气的交替作用下，以2-10℃/min的升温速率加热至500-1000℃并保温1-5h，实现上述材料的氮掺杂并同时将硫化铋纳米花还原为铋纳米花，待产物随炉冷却至室温后取出；

11、(6)将上述产物用去离子水洗涤过滤，收取黑色粉末即获得氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料，洗涤液经过收集干燥后可回收获得金属盐，可以循环使用.

12、所述有机溶剂包括但不限于：乙二醇、甲苯、n-甲基吡咯烷酮、n，n-二甲基甲酰胺。

13、所述金属盐包括但不限于：氯化钠、氯化钾、氟化钾。

14、优选的，所述步骤(1)、(2)中的有机溶剂为乙二醇。

15、优选的，所述步骤(4)中的金属盐为氯化钠。

16、优选的，所述步骤(4)中的有机溶剂为n-二甲基甲酰胺。

17、优选的，所述步骤(5)中的升温速率为5℃/min，保温时间为2h。

18、本发明的第二个目的是如所述的上述电极材料在钠离子电池负极上的应用。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、1、本发明将金属铋活性材料制备为纳米花状结构，并以氮掺杂的碳骨架对其锚定，改善了传统方法制备含金属电极材料活性位点不足、容易团聚的问题。本发明提供的电极材料中，金属铋电极活性材料呈现出纳米花状结构，可以暴露更多的活性位点，并且碳骨架可将其均匀分散锚定，避免了活性材料的团聚现象和结构破坏。同时，氮掺杂使整个电极材料具有更好的导电性和更多的钠离子吸附位点。

21、2、本发明提供了一种氮掺杂锚定铋纳米花电极材料的制备方法，使用的碳骨架材料的原料为煤沥青，金属活性材料为金属铋，两种材料均价格低廉，容易获取，便于工业化推广应用。

22、3、本发明提供了利用可回收盐模板法制备氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的方法，可实现盐模板的回收重复利用，并可以通过调控金属盐的比例改变碳骨架的微观结构和形貌。

23、4、本发明中通入氨气提供了丰富的氮源，经高温加热后实现了氮原子对碳骨架材料的掺杂与刻蚀，有利于加固碳骨架对金属铋纳米花的锚定，应用于钠离子电池时具有卓越的电化学性能。

技术特征：

1.一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述碳骨架的原材料为煤沥青。

3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述有机溶剂可以溶解聚乙烯吡咯烷酮和硫脲，步骤(2)所述有机溶剂可以溶解五水硝酸铋，如乙二醇等。

4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述有机溶剂可以溶解煤沥青，如n-二甲基甲酰胺等。

5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述金属盐易溶于水，并且烘干水分之后可以回收循环利用，如氯化钠、氯化钾、氟化钾等。

6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述煤沥青和金属盐的质量比为1∶5-1∶100。

7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述溶剂热反应在100-200℃的温度下进行，保温时间为2-20h。

8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述高温管式炉中升温速率为2-10℃/min，保温温度为500-1000℃，保温时间为2-20h。

9.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极的制备方法，其特征在于：所述氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料中的氮源自于氨气在高温环境中对碳材料的刻蚀。

10.一种如权利要求1所述的氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料在钠离子电池负极中的应用。

技术总结
本发明公开了一种氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极材料的制备方法及其在钠离子电池负极中的应用。以煤沥青为碳骨架前驱体材料，金属铋为活性电极材料，利用可回收的金属盐为模板，通过溶剂热和高温碳化法共同构筑氮掺杂碳骨架锚定铋纳米花电极。该电极材料中，金属铋微观结构呈纳米花状，氮掺杂的无定形碳呈三维骨架结构，并且金属铋纳米花均匀分散地锚定在碳骨架上。该方法制备的电极材料具有性能优异、结构可控、操作高效、价格低廉、盐模板可回收利用等特点，具有广阔的应用前景。本发明可应用于钠离子电池负极材料的制备领域。

技术研发人员：王孝广,魏世伟,马自在
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13