一种金属单原子掺杂的三维多孔碳材料及其制备方法和应用

技术特征：
1.一种金属单原子掺杂的三维多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将可溶性金属盐、氮源、碳源和模板盐溶解于去离子水中，得到混合溶液；将所述混合溶液进行冷冻干燥，得到前驱体粉末；将所述前驱体粉末依次进行低温退火、洗涤和高温退火，得到金属单原子掺杂的三维多孔碳材料；所述低温退火的温度为780℃以下，所述高温退火的温度为800℃以上。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性金属盐中的金属元素包括锰、镍、钴、锌、铜和锆中的一种或几种；所述可溶性金属盐包括可溶性金属乙酸盐或可溶性金属氯化物。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为葡萄糖、柠檬酸和柠檬酸铵中的一种或几种；所述氮源为二氢二胺。4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性金属盐中的金属元素、氮源中的氮元素和碳源中碳元素的原子比为(0.003～0.004):(0.1～0.2):(0.8～0.9)。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板盐包括氯化钠、氯化铵和碳酸钠中的一种或几种；所述碳源和模板盐的质量比为0.07～0.08:1。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥包括依次进行的冷冻和真空干燥，所述冷冻的温度为-35～-50℃，时间为10～15h；所述真空干燥的真空度为1～30pa，干燥时间为48～54h。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低温退火的温度为740～780℃，保温时间为100～150min；所述高温退火的温度为800～1000℃，保温时间为40～90min；所述低温退火和高温退火均在惰性保护气氛下进行。8.权利要求1～7任意一项所述制备方法制备的金属单原子掺杂的三维多孔碳材料；所述金属单原子掺杂的三维多孔碳材料具有蜂窝状的三维多孔结构，且碳骨架上掺杂有氮元素和金属元素，所述金属元素以金属单原子形式存在。9.根据权利要求8所述的金属单原子掺杂的三维多孔碳材料，其特征在于，所述金属单原子掺杂的三维多孔碳材料中金属元素的原子比为0.35％～0.40％。10.权利要求8或9任意一项所述金属单原子掺杂的三维多孔碳材料在锂金属电池负极材料中的应用。

技术总结
本发明涉及锂金属电池技术领域，提供了一种金属单原子掺杂的三维多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明将可溶性金属盐、氮源、碳源和模板盐溶解于去离子水中，将所得混合澄清溶液冷冻干燥，得到前驱体粉末；然后通过低温退火将碳源进行碳化，金属原子和氮原子掺杂到碳材料骨架中，然后洗去模板盐，形成三维立体的多孔结构，之后通过高温退火除去材料中多余的杂质，进一步提高碳材料的性能。本发明制备的金属单原子掺杂的三维多孔碳材料比表面积高，锂亲和力强，能够缓解锂金属负极在长循环中“死锂”的生成，抑制锂枝晶生长，解决锂金属负极在循环过程中“无宿主”等问题，提高锂金属电池的循环稳定性和库伦效率。池的循环稳定性和库伦效率。池的循环稳定性和库伦效率。


技术研发人员：宫勇吉 杨智林 古小康
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2021.12.24
技术公布日：2022/3/25