本(ben)發(fa)明屬(shu)于(yu)鋁電池電極材(cai)料(liao)制(zhi)備，具體(ti)涉(she)及一(yi)種用于(yu)鋁電池的氮(dan)摻(chan)雜(za)多孔碳材(cai)料(liao)及其制(zhi)備方(fang)法和(he)應用。

背景技術：

1、在新(xin)一代(dai)的化(hua)學儲能系統(tong)中(zhong)，鋁電(dian)池被認為具(ju)有商(shang)業(ye)化(hua)的潛力(li)。鋁是地殼中(zhong)含量最豐富的金屬元素，其(qi)(qi)開采(cai)、開發、加工、利(li)用成(cheng)本非常低，這(zhe)是鋁作為負極材(cai)(cai)料(liao)有著其(qi)(qi)他(ta)金屬材(cai)(cai)料(liao)無可比擬(ni)的優(you)勢。相比與其(qi)(qi)它二次電(dian)池體系，鋁電(dian)池具(ju)有成(cheng)本低、性價比高(gao)、體積小(xiao)、重量輕、比能量大、環保安全(quan)穩定等特(te)點，符合對(dui)下一代(dai)電(dian)化(hua)學儲能體系的需求。碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)因(yin)具(ju)有易制(zhi)備、導電(dian)性高(gao)等優(you)點成(cheng)為鋁電(dian)池正極材(cai)(cai)料(liao)的首選。

2、石(shi)墨(mo)(mo)和(he)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)擁有良(liang)好的(de)(de)(de)導電(dian)性，層狀結構便于離子的(de)(de)(de)嵌入和(he)脫出，因(yin)此是常用的(de)(de)(de)鋁(lv)電(dian)池電(dian)極材料(liao)。然而，石(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)(de)容量(liang)(liang)相對較低，在100ma/g的(de)(de)(de)電(dian)流密度(du)下(xia)容量(liang)(liang)約(yue)為(wei)60mah/g；石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)雖具有優異(yi)的(de)(de)(de)倍率(lv)性能，在100a/g的(de)(de)(de)電(dian)流密度(du)下(xia)容量(liang)(liang)仍可以達到120mah/g，但(dan)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)的(de)(de)(de)價(jia)格昂貴，仍未大規模(mo)使(shi)用。因(yin)此亟需開發價(jia)格低廉且性能優異(yi)的(de)(de)(de)碳(tan)材料(liao)為(wei)將來鋁(lv)電(dian)池的(de)(de)(de)規模(mo)化應用做鋪墊。

技術實現思路

1、因(yin)此，本(ben)發明(ming)要解決的技術問題在于(yu)克服現有技術碳(tan)(tan)材料(liao)作(zuo)為鋁(lv)(lv)電池(chi)正極材料(liao)不(bu)能兼(jian)具高容量(liang)和低成(cheng)本(ben)等，從而提供了(le)一種(zhong)用(yong)于(yu)鋁(lv)(lv)電池(chi)的氮摻雜多孔(kong)碳(tan)(tan)材料(liao)及其(qi)制備(bei)方法和應用(yong)，旨在獲得一種(zhong)低成(cheng)本(ben)下仍具有優(you)異容量(liang)的活性材料(liao)。

2、為此，本發明提供了以下技術(shu)方案。

3、本發明第一方面提供了(le)一種(zhong)用于(yu)鋁電(dian)池的氮摻(chan)雜多孔碳(tan)材料的制備方法，包括(kuo)：將金屬鹽(yan)、多糖和纖維混合，煅燒；

4、其中(zhong)，所(suo)述纖維(wei)(wei)為含(han)氮纖維(wei)(wei)；

5、所述金屬鹽為(wei)鎂鹽和(he)/或(huo)鈣鹽；

6、所述多糖為(wei)明膠、卡拉膠和瓜爾(er)膠中的(de)至少一(yi)種(zhong)。

7、所述纖(xian)維為(wei)含氮芳綸(lun)纖(xian)維。

8、所述(shu)(shu)(shu)纖(xian)維為(wei)凱夫拉纖(xian)維；和(he)/或(huo)，所述(shu)(shu)(shu)鎂(mei)鹽(yan)為(wei)氯化(hua)鎂(mei)；和(he)/或(huo)，所述(shu)(shu)(shu)鈣(gai)鹽(yan)為(wei)硫酸鈣(gai)。

9、所述(shu)金屬鹽、多糖和(he)(he)纖維(wei)的質(zhi)量比為(0.01～1):(0.1～10):(0.05～5)。其中(zhong)，金屬鹽、多糖和(he)(he)纖維(wei)的質(zhi)量比可以(yi)是該范(fan)圍(wei)的任意比值，如0.05:9:1、0.5:8:1、0.8：5:3、1:9:1、1:10:5、0.02:0.9:1、1:1:5等(deng)。

10、所述煅燒的步驟(zou)包括：以1～10℃/min的升(sheng)溫速率升(sheng)溫至700℃～1200℃后保溫1～10h。

11、所述(shu)煅燒之后還包(bao)括(kuo)酸(suan)(suan)洗的(de)步驟(zou)；進行所述(shu)酸(suan)(suan)洗的(de)酸(suan)(suan)洗液的(de)濃度為0.1～5mol/l；所述(shu)酸(suan)(suan)洗液為鹽酸(suan)(suan)溶(rong)(rong)液、硫酸(suan)(suan)溶(rong)(rong)液和硝酸(suan)(suan)溶(rong)(rong)液中的(de)至少(shao)一種。

12、所述煅(duan)燒是在(zai)(zai)保護氣(qi)(qi)體下(xia)進行(xing)的(de)；所述保護氣(qi)(qi)體為氮(dan)氣(qi)(qi)和惰性氣(qi)(qi)體中的(de)至(zhi)少一種(zhong)。在(zai)(zai)本(ben)發明中，在(zai)(zai)進行(xing)煅(duan)燒前還包括干燥(zao)的(de)步驟；干燥(zao)可(ke)采(cai)用(yong)真空(kong)干燥(zao)或冷(leng)凍干燥(zao)等方法(fa)。

13、本發明第(di)二(er)方(fang)面提供(gong)了一種上述制備方(fang)法制得的(de)用(yong)于(yu)鋁電池的(de)氮摻雜多(duo)孔碳(tan)材(cai)料。

14、本(ben)發(fa)明(ming)第三方(fang)(fang)面提供(gong)了一種極片(pian)，包(bao)括(kuo)(kuo)集(ji)流(liu)(liu)體及附著在(zai)所述(shu)集(ji)流(liu)(liu)體至少一個(ge)表面的(de)活(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)層(ceng)，所述(shu)活(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)層(ceng)的(de)成(cheng)分包(bao)括(kuo)(kuo)上述(shu)制備(bei)方(fang)(fang)法(fa)制得的(de)用(yong)于(yu)鋁電池的(de)氮(dan)摻雜多孔(kong)碳材料。在(zai)本(ben)發(fa)明(ming)中，活(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)層(ceng)的(de)成(cheng)分還包(bao)括(kuo)(kuo)粘結劑(ji)和(he)導電劑(ji)等常(chang)見(jian)添加劑(ji)；活(huo)性(xing)(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)層(ceng)中氮(dan)摻雜多孔(kong)碳材料、粘結劑(ji)和(he)導電劑(ji)的(de)用(yong)量比(bi)采用(yong)本(ben)領域常(chang)見(jian)配比(bi)即(ji)可，例如其質(zhi)(zhi)量比(bi)為7:2:1、6:2:2、8:1:1等；粘結劑(ji)和(he)導電劑(ji)的(de)種類不做具體限定(ding)要求(qiu)。

15、本發明第四方(fang)(fang)面提供了一種鋁電池，包括上(shang)述(shu)(shu)制(zhi)備(bei)方(fang)(fang)法制(zhi)得的用于鋁電池的氮摻雜多(duo)孔碳材料或上(shang)述(shu)(shu)的極片(pian)。

16、本發明技術方案，具有如下(xia)優(you)點：

17、1.本發明提(ti)供(gong)的(de)用(yong)于鋁電(dian)池的(de)氮(dan)摻雜(za)多孔碳材料(liao)的(de)制備(bei)方(fang)法，該制備(bei)方(fang)法包(bao)括：將金(jin)(jin)屬鹽、多糖和纖維(wei)混合，煅燒；其中，所述(shu)纖維(wei)為(wei)含氮(dan)纖維(wei)；所述(shu)金(jin)(jin)屬鹽為(wei)鎂(mei)鹽和/或鈣鹽；所述(shu)多糖為(wei)明膠(jiao)、卡拉膠(jiao)和瓜爾膠(jiao)中的(de)至少一種。該制備(bei)方(fang)法制得的(de)氮(dan)摻雜(za)多孔碳材料(liao)具有(you)豐富的(de)氮(dan)元素和高比(bi)(bi)表面積(ji)，將其用(yong)作鋁電(dian)池電(dian)極材料(liao)時具有(you)較優異(yi)的(de)比(bi)(bi)容量；與石墨烯(xi)等(deng)材料(liao)相比(bi)(bi)，本發明氮(dan)摻雜(za)多孔碳材料(liao)的(de)原(yuan)料(liao)價格低(di)廉(lian)，成(cheng)本低(di)，制備(bei)過程簡單高效，易實現規模化生產。

18、2.本發(fa)明提(ti)(ti)供(gong)的用(yong)于(yu)鋁電(dian)池的氮摻(chan)雜多(duo)孔碳(tan)材料的制備方(fang)法(fa)，該方(fang)法(fa)先將金屬鹽、多(duo)糖和纖(xian)維混合，形(xing)成半透明凝膠狀物質，干燥(zao)后可以(yi)(yi)有效(xiao)去(qu)除成分并保(bao)持形(xing)貌不變，經特(te)定升溫速(su)率(lv)燒結后，可以(yi)(yi)使材料表現(xian)出多(duo)孔結構，該結構可以(yi)(yi)為離子和電(dian)子的傳輸提(ti)(ti)供(gong)快速(su)通道，進(jin)而提(ti)(ti)高電(dian)池的容量(liang)(liang)。其(qi)中(zhong)，采用(yong)含(han)氮纖(xian)維，尤其(qi)是凱夫拉纖(xian)維，可以(yi)(yi)進(jin)一步提(ti)(ti)高碳(tan)材料的導(dao)電(dian)性，將其(qi)用(yong)于(yu)鋁電(dian)池時可以(yi)(yi)提(ti)(ti)高其(qi)比容量(liang)(liang)。

技術特征：

1.一種用于鋁電池的(de)氮摻雜多孔碳(tan)材料的(de)制(zhi)備方法，其特征在(zai)于，包(bao)括(kuo)：將(jiang)金(jin)屬鹽、多糖和纖(xian)維混(hun)合，煅燒；

2.根據權利要(yao)求1所述的制(zhi)備方法，其(qi)特征在于，所述纖維(wei)為含氮(dan)芳(fang)綸纖維(wei)。

3.根據(ju)權(quan)利要(yao)求1或(huo)2所述的制備方法，其特征在于，所述纖(xian)維為凱夫(fu)拉纖(xian)維；和/或(huo)，所述鎂鹽為氯(lv)化鎂；和/或(huo)，所述鈣(gai)鹽為硫酸(suan)鈣(gai)。

4.根據(ju)權利要求1或2所述的(de)制備方法，其特征在(zai)于(yu)，所述金屬鹽、多(duo)糖和纖維的(de)質量(liang)比(bi)為(0.01～1):(0.1～10):(0.05～5)。

5.根據權利要(yao)求1或2所述(shu)的(de)(de)制(zhi)備方(fang)法，其特征在于(yu)，所述(shu)煅(duan)燒的(de)(de)步驟包括(kuo)：以(yi)1～10℃/min的(de)(de)升溫(wen)(wen)速(su)率升溫(wen)(wen)至700℃～1200℃后保溫(wen)(wen)1～10h。

6.根據權(quan)利要求5所(suo)述的(de)制備方法(fa)，其特征在于(yu)，所(suo)述煅燒之(zhi)后(hou)還包括酸洗的(de)步驟(zou)；

7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于(yu)，所述煅燒是在保護氣(qi)體(ti)下進行的；

8.一種權利(li)要求1～7任(ren)一項所述制(zhi)備方法制(zhi)得(de)的(de)用(yong)于鋁電(dian)池(chi)的(de)氮摻雜多孔碳材料。

9.一(yi)種極(ji)片，其特(te)征在于，包(bao)括集流體及附著在所述集流體至少一(yi)個(ge)表面的(de)活(huo)性(xing)物質(zhi)層，所述活(huo)性(xing)物質(zhi)層的(de)成分包(bao)括權利要求1～7任一(yi)項(xiang)所述制備(bei)方(fang)法制得(de)的(de)用于鋁電池(chi)的(de)氮摻雜多孔碳材料。

10.一(yi)種鋁電(dian)池(chi)，其特征在(zai)于，包括權(quan)利要求(qiu)1～7任一(yi)項所述(shu)制備(bei)方法制得的(de)用于鋁電(dian)池(chi)的(de)氮摻(chan)雜(za)多孔碳材料(liao)或權(quan)利要求(qiu)9所述(shu)的(de)極片。

技術總結
本發明屬于鋁電池電極材料制備技術領域，具體涉及一種用于鋁電池的氮摻雜多孔碳材料及其制備方法和應用。該制備方法包括：將金屬鹽、多糖和纖維混合，煅燒；其中，所述纖維為含氮纖維；所述金屬鹽為鎂鹽和/或鈣鹽；所述多糖為明膠、卡拉膠和瓜爾膠中的至少一種。該制備方法制得的氮摻雜多孔碳材料具有豐富的氮元素和高比表面積，將其用作鋁電池電極材料時具有較優異的比容量；與石墨烯等材料相比，本發明氮摻雜多孔碳材料的原料價格低廉，成本低，制備過程簡單高效，易實現規模化生產。

技術研發人員：郭帥楠,朱小毅,王倩,王旭
受保護的技術使用者：長江三峽集團實業發展（北京）有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19