[发明专利]一种薄层碳基材料的制备方法及其作为电池材料的用途

说明书

本申请提供一种薄层碳基的制备方法及其作为钾离子电池负极材料的用途，在本发明中将一定量的三聚氰胺和氯化铵充分研磨后分散于一定体积的N,N‑二甲基甲酰胺中，加入适量的沥青，磁搅拌，得到土黄色的混合溶液，然后水浴蒸干N,N‑二甲基甲酰胺，研磨得到沥青包裹三聚氰胺和氯化铵粉体；将所得粉体转移到刚玉坩埚中，随后转移到管式炉中在氩气保护下进行烧结退火碳化，自然冷却到室温得到一种黑色的超薄褶皱的薄层碳基材料。电化学实验证明本发明制备的碳基材料作为钾离子电池负极材料具有的应用前景。本发明材料的制备工艺简单，易操作，原料成本低，设备投资少，适合批量生产。

技术领域

本申请涉及材料化学能源技术领域，尤其涉及一种薄层碳基材料的制备方法及其作为电池材料的用途。

背景技术

在众多的负极材料中，碳基材料在碱性离子电池应用中一直是备受关注的。碳基材料的主要优势在于丰度大、具有可调的层间距和结构特性。但是，体积膨胀效应、导电性、安全性等一直是碳基材料在钾离子电池应用中的致命短板。因此，碳基材料在传统的改性方法中有：1、碳-碳原子结构调控(Advanced Materials,2018,30(48):1802104)；2、碳微纳米结构调控(Advanced Energy Materials,2020:2000808)；3、异质结耦合调控等(ACSEnergy Letters,2020)。事实证明碳及其同素异形体是一类十分有应用价值的材料，尤其是石墨化碳材料在锂离子电池中的应用被誉为是20世纪以来最重要的发明之一。但是石墨烯的生产工艺复杂、成本昂贵。当前研究表明通过固相反应并借助材料自身组成结构来控制产物的形貌，通过控制材料前驱体与产物材料前驱体的质量比来调控材料的厚度和褶皱程度。超薄类石墨烯层状结构可以抑制材料在钾离子脱嵌过程引起的体积膨胀效应，同时还有加大电极材料与电解液的接触面积缩短电解质的迁移距离，这些特定使其在电池材料方面具有巨大的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种薄层碳基材料的制备方法及其作为电池材料的用途。

基于上述目的，本申请第一方面提供了一种薄层碳基材料的制备方法，以三聚氰胺、沥青为主要原料，加入适量的氯化铵(NH₄Cl)为调节剂，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，通过90℃水浴蒸干，随后进行1100℃烧结退火碳化，得到一种薄层碳基材料，其具体包括以下步骤：

1)称取一定量的三聚氰胺(C₃H₆N₆)和氯化铵(NH₄Cl)研磨1h使其充分混合，然后分散到DMF溶液中，搅拌30min，得到乳白色的混合溶液；

2)称取一定量的沥青加入上述混合液中，磁搅拌6h，然后90℃水浴蒸发掉DMF，然后研磨得到沥青包裹三聚氰胺和氯化铵的粉体；

3)将所得的粉体放置到刚玉坩埚中，然后转移到管式炉中在氩气保护下进行程序控温烧结退火碳化，自然冷却到室温得到一种黑色超薄褶皱的薄层碳基材料，即所述的一种薄层碳基材料。

进一步地，所述粉体材料中物质的质量比为三聚氰胺：氯化铵＝4：1，三聚氰胺+氯化铵：沥青＝10～50：1。

进一步地，所述三聚氰胺和氯化铵物质均为化学纯。

进一步地，所述沥青为市场上购买的石油沥青。

基于同一发明构思，本申请第二方面提供了一种薄层碳基材料，利用上述第一方面所述的制备方法制备得到的。

基于同一发明构思，本申请第三方面提供了一种薄层碳基材料作为钾离子电池负极材料的用途，该材料作为钾离子电池负极材料，在1000mA g^-1的电流密度下，充放电循环1800次后，其放电比容量保持在147.6mAh g^-1以上，库伦效率为99.6％以上。