[发明专利]一种用作钾离子电池负极的氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种用作钾离子电池负极的氮‑钴‑氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法，以在液晶/环氧单体/光引发剂体系中原位合成的聚合物网络为前驱体，采取简单易行的碳化‑掺杂方法制备得到氮‑钴‑氧三掺杂的网络状碳材料；将氮‑钴‑氧三掺杂的网络状碳材料作为钾离子电池负极材料应用制作扣式电池，该网络状碳材料应用在钾离子电池负极材料方面，碳材料尤其是无定形的硬碳材料，因其良好的化学稳定性、导电性、热稳定性、低成本以及较大的晶面间距和不易扩展的碳结构等优点。

技术领域

本发明属于一种氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料技术领域，更具体地说，尤其涉及一种用作钾离子电池负极的氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池作为电化学能量存储的典型代表，具有质量轻、能量密度高、循环寿命强和倍率性能优异等特点，在智能电网和移动电子等设备中有着越来越重要的作用，并逐渐向大规模储能领域发展。但是锂资源全球分布不均，且储量有限、价格昂贵，人类未来对于大规模储能的应用需求无法单单依靠锂离子电池得到满足。另一方面，规模化储能应用的关注点是低成本，而不再是高能量密度。因此，开发资源丰富的、可替代锂离子电池的储能体系是非常必要的。

作为极具前景的可代替锂离子电池的能量存储设备，钠离子和钾离子电池由于广泛的资源受到了越来越多的关注。锂离子电池的钾、钠与锂都是第一主族元素，具有相近的物理化学性质；锂在全球含量仅为18ppm，远远低于钠的22700ppm和钾的18400ppm，钠和钾相对应的碳酸盐价格也远远低于碳酸锂。第二，在原子质量和半径方面，钾离子原子半径虽然大于钠离子，但是钾离子还原电势为-2.93V，低于钠离子的-2.7V，与锂离子的-3.04更为接近。因此，在理论分析上，钾离子电池比钠离子电池拥有更高的能量密度和放电电压。另外，钾离子的路易斯酸性比钠离子弱得多，去溶剂化能力更强。因此，钾离子电池越来越受到科研工作者们的关注。

钾离子电池的工作原理与锂离子电池类似，都属于“摇椅式电池”：充电时，钾离子从正极脱出而嵌入负极，电子由外电路提供给负极以补偿电荷；反之，放电时，钾离子从负极脱出而嵌入正极，电子由外电路提供给正极以补偿电荷。也就是说，钾离子电池是通过钾离子在电极材料之间循环往复地嵌入与脱出来实现电能与化学能的转换与存储。储钾电极材料的研究是钾离子电池的关键技术，电极材料的结构与性能直接决定了钾离子电池的电化学性能与应用前景。在负极材料方面，碳材料尤其是无定形的硬碳材料，因其良好的化学稳定性、导电性、热稳定性、低成本以及较大的晶面间距和不易扩展的碳结构等优点，被认为是最有前景的实用电极材料之一。

目前，各类型钾离子电池负极材料，比如石墨、氮掺杂石墨烯、普鲁士蓝、过渡金属复合材料等得到了广泛的研究应用。其中，石墨材料主要作为金属钾的插层化合物宿主被广泛应用，早期的一些合成石墨插层化合物复合物（GICs）的方法包括双区气相合成或者碱金属溶剂化等等，通过这类方法可以得到不同阶段的金属钾-石墨插层化合物，通过不同阶段发生的相转变来实现石墨在钾离子电池中的储钾/脱钾过程，进而实现钾离子电池的充电/放电过程。通过对基础石墨材料或者碳材料进行杂元素掺杂，造成碳材料表面缺陷进而提高其活性位点，以增强其储钾性能以及碳材料稳定性，最终提高钾离子电池的稳定性。

基于上述思想，本专利发明了一种新型的用作钾离子电池负极的氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法，旨在为制备高性能的钾离子电池提供实验基础和理论指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种所用的原料易得，制备方法简单，操作可控性高的用作钾离子电池负极的氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料的制备方法——首先，在液晶/环氧单体/光引发剂体系中原位合成尺寸均一的聚合物网络；再者，以合成的聚合物网络为前驱体、采取简单易行的碳化-掺杂方法制备氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料；最后将氮-钴-氧三掺杂的网络状碳材料作为钾离子电池负极材料应用制作扣式电池。