CN116462182A - 一种沥青基氮硫双掺杂碳材料及其在钠离子电池负极材料中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青基氮硫双掺杂碳材料及其在钠离子电池负极材料中的应用;沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法包括以下步骤:(1)将沥青和硫脲充分研磨,得到混合均匀的混合物;(2)将步骤(1)得到的混合物在保护气氛下烧结,得到沥青基氮硫双掺杂碳材料。本发明通过掺入氮、硫这两种非碳原子来增加沥青基碳材料的缺陷浓度,提供更多的活性位点,得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料表现出较高比容量和倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池技术领域,具体涉及一种沥青基氮硫双掺杂碳材料及其在钠离子电池负极材料中的应用。
背景技术
钠离子电池是一种新型的二次电池,它具有高能量密度、低成本、可重复充电等优点,正在成为锂离子电池的有力竞争对手。钠离子电池的正极材料已经取得了很大进展,但是负极材料的研究仍然是一个挑战。
沥青是一种便宜且广泛可用的材料,相对于其他负极材料,如金属氧化物,其生产成本较低,循环性能好。然而,较低的比容量和低电位下钠离子缓慢的扩散动力学严重地限制了其商业化应用。
发明内容
鉴于此,本发明的目的是提供一种沥青基氮硫双掺杂碳材料及其在钠离子电池负极材料中的应用,增加沥青基碳材料的缺陷浓度,提供更多的活性位点,从而提高其储钠性能。
为达到上述目的,本发明提供的技术方案如下:
本发明公开了一种沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将沥青和硫脲充分研磨,得到混合均匀的混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物在保护气氛下烧结,得到沥青基氮硫双掺杂碳材料。
作为优选的技术方案,所述步骤(1)中,沥青和硫脲的质量比为1:0.5~1:8。
作为优选的技术方案,所述步骤(2)中,烧结温度为600~900℃,烧结时间为1~3h。
作为优选的技术方案,所述步骤(2)中,升温速率为3~10℃min-1。
作为优选的技术方案,所述步骤(2)中,所得产物用HCl溶液和水洗涤去除杂质,然后过滤、干燥。
本发明还公开了上述制备方法制备的沥青基氮硫双掺杂碳材料。
本发明还公开了沥青基氮硫双掺杂碳材料作为钠离子电池负极材料的应用。
本发明的有益效果在于:
本发明以沥青(天然沥青、石油沥青、煤焦油沥青)为碳源,硫脲为硫源和氮源,提出了一种制备工艺简单、成本低廉和易于实现工业化的杂原子掺杂碳材料的制备方法。本发明通过掺入氮、硫这两种非碳原子来提高沥青基碳材料的结构缺陷,提供更多的活性位点,得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料表现出较高比容量和倍率性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为实施例1和对比例1制备得到的碳材料的拉曼光谱图。
图2为实施例1制备得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料的N1s图。
图3为实施例1制备得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料的S 2p图。
图4为实施例1和对比例1制备得到的碳材料在钠离子电池中的首次充放电曲线图。
图5为实施例1和对比例1制备得到的碳材料在钠离子电池中的倍率性能图。
具体实施方式
下面将结合实施例,对本发明的优选实施例进行详细的描述。所描述的实施例仅为本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,本发明的范围不应被解释为限于下面描述的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、称取1g沥青和6g硫脲,在研钵中研磨以混合均匀;
步骤二、将步骤一得到的产物置于管式炉中,在氩气氛围中以5℃min-1的升温速率加热至700℃,保温2h;
步骤三、将步骤二得到的产物取出置于2mol L-1的HCl溶液中,在室温下搅拌3h;
步骤四、将步骤三得到的产物用去离子水充分洗涤、抽滤、干燥,即可得到沥青基氮硫双掺杂碳材料。
对比例1
一种沥青基碳材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将沥青置于管式炉中,在氩气氛围中以5℃min-1的升温速率加热至700℃,保温2h;
步骤二、将步骤一得到的产物取出置于2mol L-1的HCl溶液中,在室温下搅拌3h;
步骤三、将步骤二得到的产物用去离子水充分洗涤、抽滤、干燥,即可得到沥青基碳材料。
图1为实施例1和对比例1制备得到的碳材料的拉曼光谱图,可以看出由于杂原子的引入,实施例1制备得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料的缺陷浓度得到显著增加。
图2为实施例1制备得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料的N1s图,由此可以得出氮元素被成功掺杂到碳基质中,并且以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮三种形式出现。
图3为实施例1制备得到的沥青基氮硫双掺杂碳材料的S 2p图,由此可以得出硫元素被成功掺杂到碳基质中。
将实施例1和对比例1制备的碳材料分别组装成纽扣电池并测试所得材料的相关电化学性能:分别取实施例1和对比例1制备的碳材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)以8:1:1的质量比与适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合,并将浆液研磨分散后均匀涂在铜集流器上,在真空烘箱中120℃干燥过夜制得电极片。所有电池都是在充满Ar(水和氧含量均低于0.01ppm)的手套箱中组装成2032型纽扣电池。所使用的隔膜为玻璃纤维,电解液为三氟甲基磺酸钠电解液(1.0M NaCF3SO3 in DIGLYME=100Vol%)。将组装好的两电极体系在LAND电池测试***上进行电化学性能测试。
图4为实施例1和对比例1制备得到的碳材料在钠离子电池中的首次充放电曲线图,可以看出实施例1的比容量得到显著提升,并且主要储钠区域是在充放电曲线的斜坡区域。
图5为实施例1和对比例1制备得到的碳材料在钠离子电池中的倍率性能图,可以看出实施例1的倍率性能得到显著提升,这得益于斜坡区域以吸附为主的储钠方式显著提高了其钠离子迁移动力学。
上述实施例仅用以说明本发明优选实施方式,而非对本发明的构思和保护范围进行限定,凡在本申请的构思和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将沥青和硫脲充分研磨,得到混合均匀的混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物在保护气氛下烧结,得到沥青基氮硫双掺杂碳材料。
2.如权利要求1所述的沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,沥青和硫脲的质量比为1:0.5~1:8。
3.如权利要求1所述的沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,烧结温度为600~900℃,烧结时间为1~3h。
4.如权利要求3所述的沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,升温速率为3~10℃min-1。
5.如权利要求1所述的沥青基氮硫双掺杂碳材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所得产物用HCl溶液和水洗涤去除杂质,然后过滤、干燥。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的沥青基氮硫双掺杂碳材料。
7.权利要求6所述的沥青基氮硫双掺杂碳材料作为钠离子电池负极材料的应用。
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