一种氮磷共掺杂多孔硬碳材料、制备方法及钠离子电池与流程

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种氮磷共掺杂多孔硬碳材料、制备方法及钠离子电池。

背景技术：

1、锂离子近几年全球动力、储能电池市场需求越来越高，锂离子电池虽然有较高的可逆比容量以及循环稳定性等优势，但是锂资源在地球中的储量低并且价格昂贵，已不能满足需求。而钠元素在地壳丰度较高价格便宜，具备大规模应用的先决条件。因此，近年来对钠离子电池的研究进展迅速，而碳基负极材料则是钠离子电池中应用最广的其中一种，碳基负极材料的前驱体又分为树脂基、生物质基、沥青基以及煤基。生物质基路线兼具高性能与低成本优势，是目前大多数负极厂商所布局的方向。

2、生物质硬碳的制备工艺多样，制备方法主要有：一步碳化法、活化法、水热法等。其中以一步碳化法应用最广。一步碳化法通常采用热化学法将生物质碳在高温缺氧条件下进行热分解，是制备硬碳材料的一种简单方法。但是一步碳化法制备的生物质硬碳材料首效、容量以及循环性能较差，这严重阻碍了硬碳材料在钠离子电池中的应用。杂原子掺杂是一种有效的提高硬炭材料储钠能力的方法，但是目前掺杂大多采用直接混合掺杂的方式，存在元素掺杂不均匀和不稳定，以及因掺杂导致的电池效率低的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮磷共掺杂多孔硬碳材料的制备方法，包括：

2、将生物质碳源进行低温预碳化得到前驱体；

3、将所述前驱体与磷源及氮源混合反应得到氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体；

4、将所述氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体进行高温碳化，得到所述氮磷共掺杂的多孔硬碳材料。

5、进一步地，所述低温预碳化的条件为：惰性气氛下，温度300℃-500℃，时间2-10h，升温速率1℃-5℃/min；

6、进一步地，所述混合反应的条件为：温度30-100℃，时间时间3-24h；

7、进一步地，所述高温碳化的条件为：惰性气氛，温度1000-1500℃，升温速率1℃-10℃/min，时间2-10h。

8、进一步地，所述生物质碳源为竹子、秸秆、椰壳、甘蔗渣、果壳等一种或几种；

9、进一步地，所述氮源可以是三聚氰胺、硫脲、尿素、磷酸一氢胺、磷酸二氢胺、尿素等中的一种或几种。

10、进一步地，所述磷源包括五氧化二磷、磷酸、磷酸二氢钠、磷酸钠、磷酸钾、磷酸铵和磷酸二氢铵中的一种或多种。

11、进一步地，将所述前驱体与磷源及氮源混合反应得到氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体包括：

12、将所述前驱体进行酸洗，酸洗得到的滤渣加入磷酸溶液中，滤渣质量(质量单位为g)与磷酸溶液体积(体积单位为ml)的比例为1:5-50；加热30-100℃，加入氮源，所述滤渣与氮源的质量比1：0.1-1。

13、进一步地，将生物质碳源进行低温预碳化之后还包括酸洗，所述酸洗为将所述前驱体加入酸性溶液中超声3-24h，然后抽滤、清洗至中性。

14、进一步地，所述酸性溶液可以是磷酸、盐酸、硝酸、硫酸中的一种或几种。

15、进一步地，所述酸性溶液的浓度为1m～6m。

16、另一方面，还提供一种上述制备方法制备得到的氮磷共掺杂多孔硬碳材料。

17、进一步地，所述氮磷共掺杂多孔硬碳材料中碳层间距为0.365nm-0.395nm。

18、进一步地，所述氮磷共掺杂多孔硬碳材料的比表面积为2-10m2/g

19、另一方面，还提供一种钠离子电池，包含上述的氮磷共掺杂多孔硬碳材料。

20、本专利的有益效果：

21、本发明采用简单安全可控的方法制备的氮磷共掺杂多孔硬炭材料，掺杂的氮元素和磷元素均匀分布，p元素的掺杂可以改变硬碳的微观结构，使其拥有更多的缺陷和更大的碳层间距，为钠原子的嵌入/脱出提供更多的活性位点，有利于提升容量，改善电化学性能，解决了硬碳负极材料容量和库伦效率较低的问题。n元素因其原子半径小，电负性高，能够提高材料的导电性能，从而提升比容和倍率性能。

22、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种氮磷共掺杂多孔硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低温预碳化的条件为：惰性或氮气气氛下，温度300℃-500℃，时间2-10h，升温速率1℃-5℃/min；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质碳源为竹子、秸秆、椰壳、甘蔗渣、果壳等一种或几种；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述前驱体与磷源及氮源混合反应得到氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体包括：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将生物质碳源进行低温预碳化之后还包括酸洗，所述酸洗为将所述前驱体加入酸性溶液中超声、抽滤、清洗至中性。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液可以是磷酸、盐酸、硝酸、硫酸中的一种或几种；

7.一种由权利要求1-6所述的制备方法制备得到的氮磷共掺杂多孔硬碳材料。

8.根据权利要求7所述的氮磷共掺杂多孔硬碳材料，其特征在于，所述氮磷共掺杂多孔硬碳材料中碳层间距为0.365nm-0.395nm。

9.根据权利要求7所述的氮磷共掺杂多孔硬碳材料，其特征在于，所述氮磷共掺杂多孔硬碳材料的比表面积为2-10m2/g。

10.一种钠离子电池，其特征在于，包含权利要求7-9任一项所述的氮磷共掺杂多孔硬碳材料。

技术总结
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种氮磷共掺杂多孔硬碳材料、制备方法及钠离子电池。该制备方法包括：将生物质碳源进行低温预碳化得到前驱体；将所述前驱体与磷源及氮源混合反应得到氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体；将所述氮磷共掺杂多孔硬碳前驱体进行高温碳化，得到所述氮磷共掺杂的多孔硬碳材料。解决了硬碳负极材料容量和库伦效率较低的问题。

技术研发人员：李明月,谭元忠,杨培培,陈宝,胡梦茹,陆建明
受保护的技术使用者：浙江新安化工集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10