CN111244465A - 一种氮掺杂金属碳化物材料的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池领域一种高倍率快充型负极材料的制备方法,具体涉及一种氮掺杂金属碳化物负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳源、金属化合物与氮源加入溶剂中，混合均匀得到浆体M；(2)将浆体M研磨均匀后干燥，得到固体前驱体A；(3)固体前驱体A在惰性气氛中进行两次高温处理，得到最终产品。与现有技术相比，本发明制备的材料具有倍率性能优良，循环寿命长的优点,并且制备简单，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种氮掺杂金属碳化物碳负极材料的制备方法。
背景技术
能源是当今人类社会不可或缺的物质基础。锂离子电池作为新能源，被广泛应用于电子移动设备和电动汽车中，随着这些产品的需求越来越大，锂离子电池石墨负极由于理论容量低（372mAh/g），倍率性能差，制约了锂离子电池的进一步发展。相比于石墨，软、硬碳材料的倍率性能更佳，具有极大的应用前景。在中国专利CN201710840974.4中，公开了一种基于过渡金属碳化物钠离子电池负极材料的方法.通过引入碳化钼，优化了碳材料的性能。但是其制备过程繁琐，不利于大规模生产。
在中国专利CN 110048107 A中，公开了一种自支撑氮掺杂硬碳负极材料的制备方法，虽然采用水热法引入镍金属支撑体可以省去后续涂布工艺，但是这样无法保证金属镍表面的活性材料的均匀性，而且制备出来的材料，首次充放电效率较低，只有56%。本发明为了提高碳材料的性能，通过引入良好电子传导速率的金属碳化物，并对材料进行氮掺杂可以提高碳材料的导电性，从而使材料具有良好的快充性能。采用含氮聚合物裂解制备氮掺杂材料具有工艺简单，碳含量可控等优点，产品较易工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮掺杂碳金属碳化物负极材料的制备方法，该制备方法工艺简单，该材料在锂离子电池中具有较高的可逆容量以及较优的倍率性能。
一种氮掺杂金属碳化物负极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将碳源、金属化合物与氮源加入溶剂中，混合均匀得到浆体M；
S2：将浆体M研磨均匀后干燥，得到固体前驱体A；
S3：固体前驱体A在惰性气氛中进行两次高温处理，得到最终产品。
优选的，所述步骤S1中碳源选自高温处理后可石墨化的非晶态碳材料或者难以石墨化的碳材料中一种。
优选的，所述步骤S1中碳源为石油焦、针状焦、碳纤维、酚醛树脂中一种或几种。
优选的，所述步骤S1中碳材料与金属化合物的质量比为95：5-70:30。
优选的，所述步骤S1中金属化合物选自过渡金属化合物。
优选的，所述过渡金属化合物为过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属卤化物、硫化物或过渡金属酸盐中一种或几种。
优选的，所述步骤S1中氮源选自含氮的表面活性剂。
优选的，上述含氮的表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵中一种。
优选的，所述步骤S1中氮源的重量占碳源与金属化合物总重量的1%-30%，优选为3%-10%。
优选的，所述步骤S3中两次热处理温度和处理时间分别为：第一次热处理温度为1000℃-1600℃,保温时间为3h-10h，第二次热处理温度选自为2300-3200℃，保温时间为5-15h。
本发明的有益效果为: 本发明的原料价格低廉易得，工艺流程简单，可通过调整原料比例，控制合成的材料中金属碳化物与碳的比例，得到不同容量的倍率型锂电池负极材料。其中，作为氮源的物质在对材料进行氮掺杂的同时能够也发挥了分散剂与碳源的作用，使得不溶于溶剂的金属化合物与碳材料更好的分散，提高了材料整体的导电性能。该材料在锂离子电池中具有较高的可逆容量与较好的倍率性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氮掺杂负极材料的循环性能图。在电压范围为0.01V-2.00V，首圈测试电流密度为33mA/g，之后在100mA/g电流密度下进行。
图2为本发明实施例2与实施例3制备的氮掺杂负极材料的倍率性能图。在电压范围为0.01V-2.00V，首圈测试电流密度为33mA/g，之后测试电流密度分别为100、200、300、400、500mA/g下进行。
具体实施方式
实施例1
（1）取18g石油焦，2.8g氧化钼，2g聚乙烯吡咯烷酮，通过磁力搅拌，分散在无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨6h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将固体粉末在氩气氛下1100℃保温6h，冷却至室温；再将材料2600℃保温15h，得到氮掺杂的碳与金属碳化物复合负极材料。
由图1可以看出，所制备的氮掺杂负极材料在100mA/g的电流密度下，经过50次充放电循环，材料保留的容量约为336mAh/g，容量保留率约为94%。结果表明，此制备方法得到的负极材料的可逆性较好。
实施例2
（1）取18g针状焦，3g氢氧化锆，2g聚乙烯吡咯烷酮，通过磁力搅拌，分散在无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨4h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将固体粉末在氩气氛下1600℃保温6h，冷却至室温；再将材料3200℃保温10h，得到氮掺杂的碳与金属碳化物复合负极材料。
实施例3
（1）取18g石油焦，3g五氧化二钒，3g十六烷基三甲基溴化铵，通过磁力搅拌，分散在无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨4h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将固体粉末在氩气氛下1400℃保温4h，冷却至室温；再将材料2800℃保温10h，得到氮掺杂的碳与金属碳化物复合负极材料。
实施例4
（1）取16.8g碳纤维，5.3g二氧化钛，2g十六烷基三甲基溴化铵，通过磁力搅拌，分散在无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨4h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将固体粉末在氩气氛下1000℃保温4h，冷却至室温；再将材料2800℃保温10h，得到氮掺杂的碳与金属碳化物复合负极材料。
实施例5
（1）取18g酚醛树脂，7g氧化钨，2g聚乙烯吡咯烷酮，通过磁力搅拌，分散在无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨6h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末；（3）将固体粉末在氩气氛下1300℃保温8h，得到氮掺杂的碳与金属碳化物复合负极材料。
对比例1
（1）取20g石油焦分散于无水乙醇中；再转移至球磨罐中，在300r/min的条件下球磨4h，得到前驱体浆料；（2）将上一步得到的浆料进行喷雾干燥，得到固体粉末； （3）将上一步的材料2800℃保温10h，得到负极材料。
将实施例1-5和对比例1的材料制成负极进行测试。将负极材料，SP，PVDF，CNT按质量比91.8：4：3.5：0.7加入到NMP中制成浆料，并涂在铜箔上，在120℃烘箱烘半小时后放入真空干燥箱90℃烘12小时，得到锂离子电池负极，在同等条件下组装电池，并按相同的测试方式测试电池容量，其测试结果如表1所示
| 测试项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| 首次充电容量（mAh/g） | 356 | 358 | 350 | 318 | 298 | 336 |
| 300mA/g时容量（mAh/g） | 284 | 278 | 292 | 230 | 210 | 198 |
根据表1及说明书附图所示图例。可以看出，相比于纯碳材料，该专利所制备的氮掺杂金属碳化物负极材料在大电流下表现了更高的容量，并具有良好的稳定性。
Claims (10)
1.一种氮掺杂碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将碳源、金属化合物与氮源加入溶剂中，混合均匀得到浆体M；
S2：将浆体M研磨均匀后干燥，得到固体前驱体A；
S3：固体前驱体A在惰性气氛中进行两次高温处理，得到最终产品。
2.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中碳源选自高温处理后可石墨化的非晶态碳材料或者难以石墨化的碳材料中一种。
3.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中碳源为石油焦、针状焦、碳纤维、酚醛树脂中一种或几种。
4.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳材料与金属化合物质量比为95:5-70:30。
5.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中金属化合物选自过渡金属化合物。
6.根据权利要求5所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述过渡金属化合物为过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属卤化物、硫化物或过渡金属酸盐中一种或几种。
7.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中氮源选自含氮的表面活性剂。
8.根据权利要求7所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于所述含氮的表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵中一种。
9.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S1中氮源的重量占碳源与金属化合物总重量的1%-30%，优选为3%-10%。
10.根据权利要求1所述得一种氮掺杂碳负极材料得制备方法，其特征在于，所述步骤S3中两次热处理温度和处理时间分别为：第一次热处理温度为1000℃-1600℃,保温时间为3h-10h；第二次热处理温度选自为2300-3200℃，保温时间为5-15h。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114068896A (zh) * | 2021-11-01 | 2022-02-18 | 广东佳纳能源科技有限公司 | 复合材料及其制备方法 |
| CN114497543B (zh) * | 2022-02-16 | 2023-06-16 | 温州大学碳中和技术创新研究院 | 一种基于离子催化调控硬碳结构实现高性能钠离子电池储能材料的制备及其应用 |
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