一种氮掺杂多孔硬碳材料及其制备方法与应用与流程

本申请涉及钠离子电池，具体涉及一种氮掺杂多孔硬碳材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、近年来，随着国家对碳中和、碳达峰目标的明确化，以及不可再生能源的持续消耗，越来越多的企业开始探索可持续的能源发展。在这种背景下，以锂离子为代表的二次电池逐渐占据新能源市场与储能市场。

2、然而，由于锂资源在地球的丰度低，存储有限，导致锂离子电池价格居高不下，且波动较大。因此，人们开始将目光转移到与锂相近的资源上。钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，而且具有优异的倍率性能、高低温性能和可靠的安全性，因此引起了研究人员前所未有的热情，研究致力于提升钠离子电池的库仑效率、能量密度和使用寿命，以提高整体电化学性能，使钠离子电池走向实用化。然而，由于热力学原因以及原子尺寸的关系，石墨类材料无法在钠离子电池中表现出良好的性能，因此开发高能量密度的负极材料迫在眉睫。

3、由于钠离子的原子半径要远大于锂离子的原子半径，而石墨层的孔径较小，无法使钠离子自由的脱出和嵌入，因此目前适用于锂离子电池的石墨负极并不适用于作为钠离子电池的负极材料使用。研究者把目光放在了生物质材料上，生物质中的碳骨架结构能够提供稳定的导电通道，为钠离子的嵌入/脱嵌过程提供良好的电子传导性能。同时，生物质中存在的含氧官能团和其他表面功能基团也有助于提高钠离子的扩散速率和电荷转移效率。因此，对硬碳材料负极的结构进行相应的设计与保护，可以改善以上问题。

技术实现思路

1、为了解决本领域存在的上述不足，本申请旨在提供一种氮掺杂多孔硬碳材料及其制备方法与应用。

2、根据本申请的一方面，提供一种氮掺杂多孔硬碳材料的制备方法，包括：

3、将生物质原料进行预处理，得生物质粉末；

4、将所述生物质粉末进行活化处理，得活化生物质；

5、向所述活化生物质中加入氮源、造孔剂，进行中温预掺杂，得氮掺杂生物质；

6、将所述氮掺杂生物质进行高温烧结，即得所述氮掺杂多孔硬碳材料。

7、根据本申请的一些实施例，所述活化处理包括：在300-600℃，二氧化碳气氛下活化1-4h。

8、4.根据本申请的一些实施例，所述氮源选自乙二胺、多巴胺、苯胺、三聚氰胺、尿素中的一种或多种，优选为尿素；

9、根据本申请的一些实施例，所述预掺杂温度为500-800℃，预掺杂时间为1-4h。

10、根据本申请的一些实施例，所述活化生物质、氮源、造孔剂的质量比为1：(1-3)：(1-3)。

11、根据本申请的一些实施例，所述造孔剂为水溶性盐；

12、根据本申请的一些实施例，所述水溶性盐包括：nacl、kcl。

13、根据本申请的一些实施例，所述烧结温度为1000-1300℃，烧结时间为1-4h，烧结气氛为氮气、氩气、氦气、氙气中的一种或多种。

14、根据本申请的一些实施例，所述生物质原料选自：椰壳、水稻、橘子皮、甘蔗、油菜、棉花、大麦、小麦、玉米、芦苇、剑麻中的一种或多种；优选地为椰壳；

15、根据本申请的一些实施例，所述预处理包括：将所述生物质原料进行清洗、粉碎、酸洗纯化；

16、其中，所述酸洗的酸洗剂选自盐酸和氢氟酸。

17、根据本申请的一些实施例，所述烧结前还包括：对所述氮掺杂生物质进行水洗去除所述造孔剂。

18、根据本申请的另一方面，还提供一种氮掺杂多孔硬碳材料，孔径≤2nm；比表面积为10-16m2/g；氮掺杂量为3.0-8.5wt％；不定形碳峰和石墨化碳峰的比值(id/ig)为1.20-1.30。

19、根据本申请的一方面，提供一种负极片，包括上述制备方法制备的氮掺杂多孔硬碳材料，和/或，氮掺杂多孔硬碳材料。

20、根据本申请的一方面，提供一种钠离子电池，包括上述的负极片。

21、根据本申请的又一方面，提供一种电化学装置，包括上述的钠离子电池。

22、与现有技术相比，本申请至少包括如下有益效果：

23、本申请提供一种氮掺杂多孔硬碳材料的制备方法，以椰壳等生物质为原料、水溶性盐为模板、尿素等氮源作为氮掺杂剂制备一种微孔率高、比表面积大、氮掺杂率高的多孔硬碳材料。

24、本申请的氮掺杂多孔硬碳材料由于其多孔结构的存在，使硬碳负极比表面积增加，提高了其电化学反应速率及储能密度，使其在储能器件中具有更高的性能表现以及更高的充放电速率。该多孔结构还同时提高该硬碳负极的机械强度，从而提高其抗疲劳性能，使其在长时间循环使用中表现出更好的稳定性。

25、本申请的氮掺杂多孔硬碳材料的制备方法中，所用原料价廉易得，环保低毒或无毒，制备工艺流程简单，可降低制备成本，易于工业化生产，提高其商业应用的可行性。

技术特征：

1.一种氮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，所述活化处理包括：在300-600℃，二氧化碳气氛下活化1-4h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮源选自乙二胺、多巴胺、苯胺、三聚氰胺、尿素中的一种或多种，优选为尿素；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化生物质、氮源、造孔剂的质量比为1：(1-3)：(1-3)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为水溶性盐；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为1000-1300℃，烧结时间为1-4h，烧结气氛为氮气、氩气、氦气、氙气中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质原料选自：椰壳、水稻、橘子皮、甘蔗、油菜、棉花、大麦、小麦、玉米、芦苇、剑麻中的一种或多种；优选地为椰壳；

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烧结前还包括：对所述氮掺杂生物质进行水洗去除所述造孔剂。

9.一种氮掺杂多孔硬碳材料，其特征在于，孔径≤2nm；比表面积为10-16m2/g；氮掺杂量为3.0-8.5wt％；不定形碳峰和石墨化碳峰的比值(id/ig)为1.20-1.30。

10.一种负极片，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述制备方法制备的氮掺杂多孔硬碳材料，和/或，权利要求9所述的氮掺杂多孔硬碳材料。

11.一种钠离子电池，其特征在于，包括权利要求10所述的负极片。

12.一种电化学装置，其特征在于，包括权利要求11所述的钠离子电池。

技术总结本申请公开一种氮掺杂多孔硬碳材料及其制备方法与应用，包括：将生物质原料进行预处理，得生物质粉末；将所述生物质粉末进行活化处理，得活化生物质；向所述活化生物质中加入氮源、造孔剂，进行中温预掺杂，得氮掺杂生物质；将所述氮掺杂生物质进行高温烧结，即得所述氮掺杂多孔硬碳材料。所用原料价廉易得，环保低毒或无毒，制备工艺流程简单，可降低制备成本，易于工业化生产，提高其商业应用的可行性。技术研发人员：邓聪,张立君,李勇,杜宁,邓明华,岳敏受保护的技术使用者：碳一（安徽）钠电材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29