一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架及其制备与应用

本发明涉及储能电池领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架及其制备与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、近年来，可充电电池技术迅速渗透到许多消费产品和工业系统中，开发具有各自独特优点的可充电电池已成为迫切需要。传统的锂离子电池几乎已经达到理论能量密度极限，锂储量的天然稀缺性严重制约了锂离子电池的大规模应用，需要探索可替代电池。钠金属电池由于钠在地壳中分布广泛且储量丰富，具有较高的理论容量(1165ma·h·g-1)和较低的电化学电位(-2.71v vs.标准氢电极)，已成为高能量密度电池有前途的候选。然而，钠金属负极的实际应用受到钠枝晶生长的阻碍，这些枝晶会导致钠金属负极库伦效率低，循环稳定性差，枝晶过度生长甚至会刺穿隔膜，导致电池短路，引发严重的安全问题。

3、因此，如何在电池循环过程中稳定钠的沉积剥离、抑制钠枝晶的生长，是推进钠金属电池发展的关键，同时也具有很大的挑战。

4、改变电解液配方，如使用醚基电解液、高浓度电解液或少量添加剂可以调节金属钠与电解液的反应活性，提高sei膜的稳定性；构建具有良好机械强度和离子导电性的人工sei膜，可以保护金属钠免受电解液的腐蚀。但这样形成的sei膜不能承受因枝晶生长引起的机械变形，此外，人工构建的sei膜会降低界面电阻，阻碍na离子迁移。与之相比，为“无宿主”钠金属负极设计沉积骨架可以有效降低局部电流密度，抑制钠枝晶的形成，缓解体积膨胀，降低无意义的电解液消耗。其中，在沉积骨架上修饰“亲钠性”官能团(氮掺杂等)可以增加钠与沉积骨架的结合能，降低钠的成核过电位并诱导钠的均匀沉积，并且由于掺杂原子参与了碳的离域π系统，具有较强的局域电子密度和较高的电负性，进一步促进了钠在沉积骨架表面的吸附。

5、由此可见，在钠沉积骨架中引入“亲钠性”位点并增加其表面电荷密度，能够诱导钠的均匀沉积，有效改善钠金属负极的电镀/剥离可逆性能。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架及其制备与应用，目的是抑制钠枝晶生长，提高钠金属负极电沉积和剥离可逆性。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、本发明的第一方面，提供一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

4、步骤一：将丁二酮肟和聚乙二醇2000溶解在无水乙醇中，得到溶液a；将六水合氯化镍溶解在去离子水中，得到溶液b；

5、其中，丁二酮肟的质量为1～1.5g，聚乙二醇2000的质量为6～12g，无水乙醇的量为80～120ml；六水合氯化镍质量为2～3g，去离子水的用量为80～120ml；

6、步骤二：将溶液a和溶液b置于冰箱中冷藏，然后将溶液a快速倒入溶液b中，静置几小时后抽滤；

7、步骤三：将上述产物烘干后置于管式炉中，并加入三聚氰胺进行煅烧，得到所述氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架。

8、本发明的第二方面，提供一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架，根据上述的制备方法制备得到。

9、本发明第三方面，提供上述氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架在储能电池方面的应用。

10、本发明的有益效果为：

11、(1)本发明制备获得了一种具有竹节状结构的氮掺杂碳纳米纤维，具体为，在碳纤维上生长有竹节状氮掺杂碳纳米管，增加了材料的比表面积，有效降低了局部电流密度，抑制钠枝晶的生长，缓解体积膨胀。氮掺杂增加了沉积骨架的亲钠性，可以降低成核过电位，并且具有较强的局域电子密度，诱导钠的均匀沉积。此外，自由电子可以从镍纳米颗粒转移至碳层，使碳表面富集电子，促进钠在骨架表面的均匀沉积。

12、(2)本发明通过设计氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒钠金属负极沉积骨架，抑制钠枝晶生长，提高钠金属负极电沉积和剥离可逆性。有效提高了电池的循环性能，将为发展稳定的钠金属负极提供新的思路。

13、(3)本发明通过构建氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒钠沉积骨架，可以实现金属钠在在半电池和对称电池的测试中呈现出高的库伦效率和稳定的循环。

技术特征：

1.一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

2.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，丁二酮肟的质量为1.2g，聚乙二醇2000的质量为10g，无水乙醇的量为100ml。

3.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，六水合氯化镍质量为2.4g；去离子水的用量为100ml。

4.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，溶液a和溶液b在冰箱中冷藏的时间为1～3h，冷藏温度为2～6℃，

5.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，将溶液a倒入溶液b中时加入磁子不断搅拌，转速为600～800r/min，倒完后停止搅拌，静置3～5h；

6.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，产物的干燥温度为60℃，干燥时间为6～10h得到前驱体；

7.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，煅烧的三聚氰胺的质量是前驱体质量的5～8倍，三聚氰胺置于前驱体的上游2.5-3.5cm距离；

8.如权利要求1所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，煅烧的气氛为氩气，煅烧温度为500～700℃，时间为1～3h，升温速率为2～8℃/min；

9.一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架，其特征在于，根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。

10.权利要求9所述一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架在储能电池方面的应用。

技术总结
本发明通过提供一种氮掺杂碳纳米管封装镍纳米颗粒骨架及其制备与应用，抑制钠枝晶生长，提高钠金属负极电沉积和剥离可逆性，实现金属钠在半电池和对称电池的测试中呈现出高的库伦效率和稳定的循环。本发明的沉积骨架拥有大的比表面积，能够有效降低局部电流密度，抑制钠枝晶生长，缓解体积膨胀；氮掺杂增加了沉积骨架的亲钠性，可以降低成核过电位，并且具有较强的局域电子密度，可以诱导钠的均匀沉积；此外，自由电子可以从镍纳米颗粒转移至碳层，使碳表面富集电子，促进钠在骨架表面的均匀沉积。本发明的沉积骨架能够提高电池的循环性能，将为发展稳定的钠金属负极提供新的思路。

技术研发人员：楚晨潇,孟维松,王利明,秦显忠,蔡飞鹏,王波,姜桂林
受保护的技术使用者：山东省科学院能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13