一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂及其制备方法和应用与流程

本申请属于锂离子电池导电添加剂，具体涉及一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、导电添加剂作为锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的电化学性能起着至关重要的作用。导电添加剂通过构建一个导电网络，增强电极的电子导电性，使其更快地充放电。

2、相关技术中，锂离子电池使用的导电添加剂主要有super p、乙炔黑、科琴黑等，它们都具有重量轻、比表面积高的特性。但受限于此类颗粒碳的本征形貌，颗粒碳形成的导电网络受颗粒间接触程度影响，在高倍率应用场景中往往显示出有限的电子导电性，此外，在高能量密度的应用场景下，由于上述导电添加剂相对较大的添加量(高于3wt.％)，影响了锂离子电池的质量能量密度。

3、因此，实有必要提供一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂及其制备方法和应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂及其制备方法和应用，利用石墨烯极高的本征电导率以及三维多级孔形貌结构，在锂离子电池电极材料中形成高效的电子、离子传输通道，在高倍率的应用场景下，提高其倍率性能；在高能量密度的应用场景下，一方面是氮元素的引入，能够额外提供对锂离子的吸附，提供额外容量；另一方面提高的电子导电性和额外的离子吸附能够显著减少导电添加剂的使用量(低于3wt.％)，有效解决背景技术中所提及的缺陷。

2、为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：

3、一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，将氧化石墨烯粉末加入去离子水中，通过超声分散得到均匀的氧化石墨烯分散液；

5、步骤s2，按照每质量份氧化石墨烯分散液对应5～100质量份尿素的比例，将尿素分散到氧化石墨烯分散液中，得到含尿素氧化石墨烯浆液；

6、步骤s3，将含尿素氧化石墨烯浆液通过水热反应，使氧化石墨烯进行还原自组装，将尿素中的氮粒子原位锚定在氧化石墨烯片层上，得到水凝胶；

7、步骤s4，将水凝胶经低温冷冻干燥后获得氮掺杂多孔石墨烯气凝胶；

8、步骤s5，将氮掺杂多孔石墨烯气凝胶置于惰性气体氛围中高温退火处理，获得具有多级孔结构的氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂。

9、优选的，步骤s1中的氧化石墨烯粉末采用典型hummers法制备得到。

10、优选的，典型hummers法制备氧化石墨烯粉末的过程如下：

11、将0.6g石墨和1.0g的nano3加入烧杯中，缓慢加入50ml浓h2so4，持续搅拌1h；

12、将烧杯置于冰浴中，缓慢加入3.0g的kmno4并继续保持搅拌2h；

13、水浴加热至35℃，持续搅拌30min后缓慢加入150ml去离子水；

14、加热至98℃，并趁热倒入200ml的60℃去离子水中，滴加少量30％h2o2除去过量的kmno4，得到反应混合物；

15、将反应混合物高速离心、干燥获得氧化石墨烯粉末。

16、优选的，用于制备氧化石墨烯的石墨选自天然鳞片石墨、可膨胀石墨、微晶石墨、人造石墨、回收石墨中的一种。

17、优选的，步骤s1中，氧化石墨烯分散液的浓度范围为(0.5～10)mg/ml。

18、优选的，步骤s3中，水热反应的温度为160～200℃；反应时间为2～10h。

19、优选的，步骤s4中，冷冻干燥的冷冻温度范围为(-30～-60)℃，冷冻时间范围为12～36h，干燥时间为24～72h。

20、优选的，步骤s5中，惰性气体选择为氩气或者氮气，退火温度范围为(400～800)℃，升温速率范围为(2～10)℃/min。

21、本申请还提供一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂，采用上述的制备方法制备而成。

22、本申请还提供一种上述的氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂的应用，作为锂、钠、钾离子电池的正负极添加剂，添加量范围为(1～3)wt.％。

23、本申请的有益效果在于：

24、(1)本申请制备出的氮掺杂多孔石墨烯材料，具有电导率高、比表面积高、分散性良好等特点，可作为导电添加剂应用于锂、钠、钾离子电池和超级电容器等电化学储能领域；

25、(2)本申请所述的氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂，得益于石墨烯极高的本征电导率以及三维多级孔形貌结构，在锂离子电池电极材料中形成更高效的电子、离子传输通道，在高倍率的应用场景下，提高其倍率性能；在高能量密度的应用场景下，一方面是氮元素的引入，能够额外提供对锂离子的吸附，提供额外容量。另一方面提高的电子导电性和额外的离子吸附能够显著减少导电添加剂的使用量(低于3wt.％)。

技术特征：

1.一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中的氧化石墨烯粉末采用典型hummers法制备得到。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，典型hummers法制备氧化石墨烯粉末的过程如下：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，用于制备氧化石墨烯的石墨选自天然鳞片石墨、可膨胀石墨、微晶石墨、人造石墨、回收石墨中的一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，氧化石墨烯分散液的浓度范围为(0.5～10)mg/ml。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，水热反应的温度为160～200℃；反应时间为2～10h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，冷冻干燥的冷冻温度范围为(-30～-60)℃，冷冻时间范围为12～36h，干燥时间为24～72h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s5中，惰性气体选择为氩气或者氮气，退火温度范围为(400～800)℃，升温速率范围为(2～10)℃/min。

9.一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备而成。

10.一种如权利要求9所述的氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂的应用，其特征在于，作为锂、钠、钾离子电池的正负极添加剂，添加量范围为(1～3)wt.％。

技术总结
本申请提供一种氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂及其制备方法和应用，属于锂离子电池导电添加剂技术领域。本申请将采用典型Hummers法制备的氧化石墨烯粉末通过超声分散到去离子水中得到均匀的氧化石墨烯分散液，将尿素充分分散进氧化石墨烯分散液中，得到含尿素氧化石墨烯浆液，通过水热反应获得尿素氮掺杂的多孔石墨烯水凝胶，经低温冷冻干燥后获得氮掺杂多孔石墨烯气凝胶，最后经高温退火处理获得氮掺杂导电添加剂。本申请得到的氮掺杂多孔石墨烯导电添加剂具有高电导率、多级孔结构、良好分散性等特点，可作为导电添加剂应用于锂、钠、钾离子电池和超级电容器等电化学储能领域。

技术研发人员：肖骏,晏燕,姚勇,李科褡,张敏敏,杜西兰,伍宏明,靳进波,秦舒浩
受保护的技术使用者：贵州省材料产业技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31