一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料及其制备方法

本发明属于电极材料，尤其涉及一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着经济的发展，能源、资源、环境之间的矛盾日益严重，故开发能源相关材料和储能装置对于满足全球能源需求非常重要。高效的储能技术被认为是向可再生能源成功过渡和整个过渡的关键，而电化学储能技术正在并将在实现这一理想目标方面发挥重要作用。相对于传统的锂离子电子来说，钠离子电池在资源丰富度和成本效应方面具备一定优势，钠作为地球最丰富的元素之一，可大规模获取。钠离子电池成本低、安全性好，在大规模能源存储具备巨大潜力。

2、然而，现有钠离子电池由于其较低的离子迁移率和能量密度限制了其发展，因此制备得到较高的倍率性能、离子迁移率，长循环性能稳定的电极材料是亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料及其制备方法。掺杂氮元素的三维多孔碳能够提高钠离子的电子导电性和传输率，提升电极材料的比表面积，增加反应的活性位点，提供稳定的循环性能和倍率性能。该方法成本低，方法简便、环保，得到的电极材料具备优良的电化学性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、在充满氮气的手套箱中，将二胺加入溶剂中，搅拌，然后在搅拌状态下将二酐倒入，持续搅拌后得到前驱体溶液；将该溶液沉积成膜后浸入去离子水中，干燥，得到聚酰胺酸膜；最后将聚酰胺酸膜依次进行退火处理和碳化处理，即得到钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料。

5、进一步地，所述二酐包括均苯四甲酸二酐(pmda)和联苯四甲酸二酐(bpda)，所述二胺为4,4’-二氨基二苯醚(oda)。

6、进一步地，所述前驱体溶液的固含量为10-35％。所述溶剂为二甲基乙酰胺(dmac)。

7、进一步地，所述沉积成膜具体为：将前驱体溶液用铝铸刀沉积在玻璃板上涂制成膜。

8、进一步地，成膜后的样品浸入去离子水中的时间为12-24h，温度为15-90℃。所述干燥是在60-90℃下干燥4-12h。

9、进一步地，所述退火处理的参数为：温度300-450℃，时间1-2h，退火速率2-5℃/min。退火过程中聚酰亚胺内部的多种基团及氢原子在高温下脱水、脱氢，生成可挥发的小分子化合物后挥发逸出形成的多孔结构。

10、进一步地，所述碳化处理的参数为：温度600-1000℃，时间1-2h，升温速率2-5℃/min。

11、本发明还提供一种利用上述制备方法制备得到的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料，所述钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料中氮元素以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮三种形式存在。并且该电极材料具有不同孔径的孔道和孔洞的结构。

12、本发明还提供一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料作为电极材料的应用。

13、多孔碳材料由于其高比表面积、大孔体积和独特的孔径分布等优点，经常被应用到包括电池电极、电子传导、存储、催化等领域。多孔碳也可以通过物理和化学活化技术而形成活性碳。多孔碳材料具有许多特殊功能以实现增强的性能。例如，碳框架可以提供短距离的电子传输，实现高电子导电性。因此，多孔碳复合电极可以在高电流条件下工作，有利于高功率应用，电极/电解质的较高界面为电化学和电催化反应提供了更多的活性位点，可以实现优异的储能和转换性能。当氮元素掺进到碳材料里时，氮原子立即与碳原子结合，在不同的化学环境中形成三种碳原子，即吡啶氮、吡啶氮和石墨氮等，氮原子具有比碳原子大的电负性和半径，适当的掺杂会破坏碳材料的电中性和完整性，产生许多空位和缺陷，提高离子的电子导电性和传输率。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

15、本发明通过去离子水浸泡、退火碳化的方法，获得具有多孔结构的碳材料，利用高温下脱水、脱氢，生成可挥发的小分子化合物后在内部蒸发，以此来形成不同孔径的孔道和孔洞，方便钠离子在电极材料中的移动和储存，提供短距离的电子传输，实现高电子导电性。利用聚酰亚胺复合材料(pic)作为碳源和氮源来提升电池性能，多孔碳材料制备过程使氮元素均匀分散在电极材料中来提升离子的电子导电性和传输率。多孔碳的三维结构提升电极材料的比表面积，增加反应的活性位点，提供稳定的循环性能和倍率性能，从而以低成本、简便、环保的方法得到具备优良的电化学性能的电极材料。

16、本发明制备工艺流程简单，对环境友好，成本低廉，原料丰富有利于钠离子电池在储能领域的扩大应用。

技术特征：

1.一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所述二胺为4,4’-二氨基二苯醚，所述二酐包括均苯四甲酸二酐或联苯四甲酸二酐。

3.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液的固含量为10-35％。

4.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所述沉积成膜具体为：将前驱体溶液用铝铸刀沉积在玻璃板上涂制成膜。

5.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，成膜样品浸入去离子水中的时间为12-24h，温度为15-90℃。

6.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所述退火处理的参数为：保护气为氮气，温度300-450℃，时间1-2h，升温速率2-5℃/min。

7.根据权利要求1所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的参数为：保护气为氮气，温度600-1000℃，时间1-2h，升温速率2-5℃/min。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料，其特征在于，所述钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料中氮元素以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮三种形式存在。

9.一种如权利要求8所述的钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料作为电极材料的应用。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料及其制备方法，属于电极材料技术领域。本发明是在氮气气氛下，将二胺加入溶剂中，然后在搅拌状态下将二酐倒入，得到前驱体溶液；将该溶液沉积成膜后浸入去离子水中，干燥，得到聚酰胺酸膜；最后在氮气氛围下将聚酰胺酸膜依次进行退火处理和碳化处理，即得到钠离子电池氮掺杂多孔碳电极材料。该材料能够提高钠离子的电子导电性和传输率，提升电极材料的比表面积，增加反应的活性位点，提供稳定的循环性能和倍率性能。

技术研发人员：茅婷婷,闵永刚,廖松义,肖练钢,陈逸钊,陈润康,吴雨欣,连晓璇,吴明雪,杜青,冯茹鸣
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16