[发明专利]一种杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米复合材料技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料及其制备方法和应用。本发明通过选取水溶性碳前驱体、碱金属含氧酸盐和水得到的纺丝原液进行静电纺丝制备得到了多孔碳纳米带材料。多孔碳纳米带材料掺杂的杂原子在碳材料中均匀分布，可作为成核位点有利于金属锂在表面的均匀沉积，抑制枝晶的形成；多孔和纳米带结构拓宽了锂离子在循环过程中的嵌脱通道，确保了锂离子的快速传输和沉积；连续且稳定的三维导电网络结构不仅有利于电子的快速传输，而且能够容纳大量的金属锂沉积，缓冲体积膨胀。因此，本发明得到的杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料作为锂离子电池负极材料时，表现出优异的储能与快充性能。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源枯竭，环境污染等问题在全球的日益凸显，电能作为一种清洁能源越来越受到重视。锂离子电池是目前应用最广泛的二次电池，其可进行可逆充放电，具有循环寿命长，工作电压高，能量密度大，运输轻便等优势，在储能器件领域占据重要地位。同时，随着电动汽车领域的日渐发展与普及化，如何实现快速充电也成了电动汽车领域的一个重点研究方向，若能实现电能的快速储存，大大缩减缓冲时间，将能使电能更好地替代传统能源，这对实现低碳化具有重要意义。

然而目前锂离子电池的电极材料上仍存在一些缺陷，限制了其在快充领域的进一步发展。不同于石墨负极材料，具有杂原子掺杂的多孔碳纳米纤维材料可以作为优异的锂离子电池快充负极材料，实现锂离子的快速存储并抑制金属锂枝晶的形成。然而，现有的多孔碳纳米纤维材料往往存在着结构连续性差、杂原子掺杂效果有限、非活性金属前驱体残留等问题，影响多孔碳纳米纤维材料的比表面积、杂原子掺杂量和导电性的提升，进而影响其作为负极材料时的可逆容量和倍率性能的改善。此外，有限的亲锂位点和不稳定的框架结构无法高效地抑制锂枝晶的形成和缓冲体积膨胀，导致电池存在短路风险，严重影响电池的安全与稳定性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术无法有效解决锂离子电池的负极材料存在的可逆容量和倍率性能的问题，包括：负极材料中锂离子和电子的快速传输问题，金属锂在电极的表面沉积不均匀、枝晶易形成、体积不可逆膨胀等问题。本发明设计出了三维的多孔纳米带状结构，通过选用水溶性碱金属含氧酸盐作助剂，可直接用水溶解去除碱金属离子，确保所得材料无非活性金属残留，有利于其在作负极材料时表现出高可逆容量，提升循环稳定性与倍率性能，得到的多孔纳米带状结构掺杂有丰富的杂原子，掺杂的杂原子在碳材料中均匀分布，可作为成核位点有利于金属锂在表面的均匀沉积，抑制枝晶的形成；多孔和纳米带结构拓宽了锂离子在循环过程中的嵌脱通道，确保了锂离子的快速传输和沉积；连续且稳定的三维导电网络结构不仅有利于电子的快速传输，而且能够容纳大量的金属锂沉积，缓冲体积膨胀。因此，该杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料作为锂离子电池负极材料时，表现出优异的储能与快充性能。

为此，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料，所述多孔碳纳米带材料掺杂两种或两种以上杂原子，所述杂原子包括：氮、氧、硫、磷或氯；

所述多孔碳纳米带的长宽比为1000:1~8000:1；宽度范围为0.05μm ~10μm。

优选的，所述氮的原子百分比为0.2~10 at.%；

和/或，所述氧的原子百分比为5~25 at.%；

和/或，所述硫的原子百分比为0.1~10 at.%；

和/或，所述磷的原子百分比为0.1~10 at.%；

和/或，所述氯的原子百分比为0.1~10 at.%。

优选的，厚度范围为1 nm~100 nm。

优选的，所述多孔碳纳米带的孔径范围在0.5 nm ~50 nm；