[发明专利]一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明提供了碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；所述金属醋酸盐选自Ni(CH₃COO)₂或Co(CH₃COO)₂，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；C)在保护性气氛条件下，将所述起始原料固体粉末进行阶段性升温煅烧，得到碳纳米管。本发明使用廉价的化学原料为起始物，通过高温热解法，直接制备出氮掺杂的碳纳米管，成本可以降低。氮掺杂有效提升了碳管的电导率，降低了电池的内阻值，该碳纳米管材料在大倍率充放电条件下，显示出比传统锂电池负极碳材料更高的比容量和更好的循环性能。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

高性能可充电锂离子电池(LIBs)的需求日益增长，被广泛应用于混合动力电动汽车，便携式电子设备和大规模电力储能。然而，二维石墨材料是目前商用主要的阳极材料，多年来不足以满足下一代可充电锂离子电池发展的要求，对此，科研人员已作出很多研究努力，以解决这些问题，包括减小材料尺寸，一维纳米碳的设计包括碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)，形成多孔、空心和缺陷结构，掺杂其他元素，如磷和氮，以及提高石墨化程度，一些具有高性能纳米碳基材料已成功制备出并在电池应用中，并且表现出不错的能量密度和功率输出。然而，一维碳基锂离子电池负极材料在解决高能量密度，高功率电极的耐久性能力方面依然有所欠缺。

碳纳米管作为一维纳米材料，是由原子级厚度的sp²杂化碳层卷曲而成，具有蜂窝状晶格结构，以它迷人的电子性质和在各领域潜在的应用，在能量转换和储存的研究中备受关注。到目前为止，理论和实验研究都表明，将杂原子掺入其石墨烯结构中可以有效地改变其电子结构和化学性质。在之前的研究报道中，氮掺杂碳纳米纤维，铁酞菁复合材料，都表现突出的电化学优良性能。最近几年来，人们一直在努力制备掺杂的新型碳材料，包括氮掺杂石墨烯(NG)、硼掺杂石墨烯(BG)和硫掺杂石墨烯(SG)，已经在燃料电池中表现出良好的电化学性能或者增强型场效应晶体管(FET)的导电性。掺杂导致的碳材料锂电性能提高原因是，不同掺杂原子电负性(如N:3.04，B:2.04，S:2.58)，可破坏石墨烯结构中的碳原子电中性(C:2.55)，有利于提高碳材料的放电和充电能力，而地球大气中含量78％的均为氮气，因此，探索独特的可用于高性能锂离子电池负极的氮掺杂碳管材料具有重要现实意义。

目前，尽管在通过掺杂改性碳材料来提升其在锂离子电池中的性能方面已经有一些报道了，然而这些方案在实际生产制备过程中，需要繁琐的工艺步骤和设备仪器，消耗各种贵重的化学原料，使得电池成本上升，价格变高，降低了市场竞争力。传统合成手段(如弧光放电法，激光高温烧灼法以及化学气相沉积法等)制备得到的单层石墨烯市场价格在2000元/克～3000元/克，单壁碳纳米管市场价格在1500元/克～2000元/克，即使是多壁碳纳米管，价格也在500元/克～800元/克。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种碳纳米管的制备及其在锂离子电池中的应用，本发明使用廉价的化学原料为起始物，通过高温热解法，直接制备出氮掺杂的碳纳米管，成本可以降低至约1元/克，并且所述碳纳米管具有良好的电学性能。

本发明提供了一种碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

A)将金属醋酸盐的水溶液与含氮有机物混合，加热溶解，得到混合溶液；

所述金属醋酸盐选自Ni(CH₃COO)₂或Co(CH₃COO)₂，所述含氮有机物选自二氰二胺、三聚氰胺或尿素；

B)将所述混合溶液升温加热至溶剂挥发，得到起始原料固体粉末；