CN109873143A - 氮掺杂石墨烯c3n结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法，涉及金属离子电池领域。本申请是将二维氮掺杂石墨烯C3N作为金属离子电池的阳极材料使用。它是在石墨烯的二维蜂窝晶格结构中均匀地掺杂氮原子，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。由于C3N独特的网状结构，C3N作为锂离子电池负极材料的理论容量达到1600mAh/g，当实现与锂离子电池相同的容量时，镁离子电池的形状变化很小，从而可以实现更大的理论容量。进而使得金属离子电池获得优良的电化学性质，包括：较优的电导率、优异的理论容量、高稳定性和快速响应。

Description

氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子 电池的制备方法

技术领域

本申请涉及金属离子电池领域，特别是涉及氮掺杂石墨烯C3N结构在金属离子电池中的应用及金属离子电池的制备方法。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，二维材料在能量存储装置中的应用越来越广泛，例如金属离子电池中的阳极。基于二维材料的可再充金属离子电池，由于其储能密度高、倍率性能好、循环稳定性好，引起了广泛的关注。寻找合适的阳极材料成了合成高性能金属离子电池所面临的重要挑战。

目前在商品化的锂离子电池中，由于石墨的低成本、高储能和好的循环性能，阳极材料多采用石墨，但低容量限制了它的发展。相比于石墨(≈372mAh/g)，二维碳基材料的代表石墨烯用作锂离子电池的阳极时，可逆容量可高达2000mAh/g。但是阳极材料的进一步发展仍主要受到大电压滞后的限制，并且用石墨烯制作阳极常常伴有锂枝晶形成的潜在风险。研究人员发现对石墨烯进行氮掺杂可以有效地调节其性质，且在氮掺杂石墨烯在合成过程中会存在缺陷，这有利于催化反应，这使得氮掺杂石墨烯成为金属离子电池领域中极具前景的材料。

发明内容

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种二维氮掺杂石墨烯C3N在金属离子电池中的应用，是将二维氮掺杂石墨烯C3N材料，作为金属离子电池的阳极材料使用。

可选地，所述的C3N是具有均匀氮原子分布的二维蜂窝晶格组成，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。

可选地，所述金属离子选自锂、钠、钾、镁、钙、铝中的一种。

可选地，所述二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池的阳极材料使用。

根据本申请的另一个方面，提供了一种金属离子电池的制备方法，其中，金属离子电池的阳极材料为所述的二维氮掺杂石墨烯C3N材料，所述制备方法包括：

步骤1，制备二维氮掺杂石墨烯C3N材料；

步骤2，用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极；

步骤3，制备金属盐电解液；

步骤4，将负极电极、二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备的阳极电极和镁盐电解液组装成电池。

可选地，所述步骤2用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极，包括：

将步骤1中制备得到的二维氮掺杂石墨烯C3N和添加剂在溶剂中混合，形成分散液；

将分散液均匀涂到电极基底表面；

将制备的电极基板在真空条件下干燥处理，制备出所述的二维氮掺杂石墨烯C3N电池阳极。

本申请是将二维氮掺杂石墨烯C3N作为金属离子电池的阳极材料使用。它是在石墨烯的二维蜂窝晶格结构中均匀地掺杂氮原子，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。其独特的掺杂位置和电子特性，有利于其在金属离子电池领域中有所应用。由于C3N独特的网状结构，C3N作为锂离子电池负极材料的理论容量达到1600mAh/g，当实现与锂离子电池相同的容量时，镁离子电池的形状变化很小，从而可以实现更大的理论容量。进而使得金属离子电池获得优良的电化学性质，包括：较优的电导率、优异的理论容量、高稳定性和快速响应。可见，二维氮掺杂石墨烯C3N是一种很好的金属离子电池的阳极材料。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的二维氮掺杂石墨烯C3N材料结构原子模型示意图；

图2(a)、(b)、(c)是根据本申请一个实施例的二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为阳极材料时，扩散能量随着原子吸附路径不同的变化规律图；

图3是是根据本申请一个实施例的以二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池阳极材料流程示意图。

具体实施方式

图1是根据本申请一个实施例的二维氮掺杂石墨烯C3N材料结构原子模型示意图。图2(a)、(b)、(c)是根据本申请一个实施例的二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为阳极材料时，扩散能量随着原子吸附路径不同的变化规律图。

本申请提供了一种二维氮掺杂石墨烯C3N在金属离子电池中的应用，是将二维氮掺杂石墨烯C3N材料，作为金属离子电池的阳极材料使用。更具体地，如图1所示，所述的C3N是具有均匀氮原子分布的二维蜂窝晶格组成，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。更具体地，本实施例中，所述金属离子选自锂、钠、钾、镁、钙、铝中的一种。优选地，所述二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池的阳极材料使用。

氮掺杂石墨烯材料根据掺杂方式的不同，具有不同的性能。C3N是诸多结构中的一种。图2中的(a)、(b)、(c)，分别是C3N材料中三种原子扩散路径，其中最优扩散路径的扩散能量势垒为0.315eV，低于其他二维氮掺杂石墨烯(C2N和g-C3N4)以及市售的石墨电极，这表明C3N材料极适合应用于电池阳极。

本申请的二维氮掺杂石墨烯C3N是在石墨烯的二维蜂窝晶格结构中均匀地掺杂氮原子，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。其独特的掺杂位置和电子特性，有利于其在金属离子电池领域中有所应用。由于C3N独特的网状结构，C3N作为锂离子电池负极材料的理论容量达到1600mAh/g，当实现与锂离子电池相同的容量时，镁离子电池的形状变化很小，从而可以实现更大的理论容量。进而使得金属离子电池获得优良的电化学性质，包括：较优的电导率、优异的理论容量、高稳定性和快速响应。可见，二维氮掺杂石墨烯C3N是一种很好的金属离子电池的阳极材料。

图3是是根据本申请一个实施例的以二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池阳极材料制备镁离子电池的流程示意图。其中，二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池阳极材料，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，制备二维氮掺杂石墨烯C3N材料。

步骤2，用上述二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极。

将步骤(1)中制备得到的二维氮掺杂石墨烯C3N和添加剂在溶剂中混合，形成分散液；

将分散液均匀涂到电极基底表面；

将制备的电极基板在真空条件下干燥处理，制备出所述的二维氮掺杂石墨烯C3N电池阳极。

步骤3，制备镁盐电解液。

步骤4，将负极电极、二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备的阳极电极和镁盐电解液组装成电池，提高其电化学性能。

表1是二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为阳极材料时，吸附能、理论容量随着金属锂离子、镁离子浓度的变化规律。

表1

根据本申请提供的上述制备方法，将二维氮掺杂石墨烯C3N材料用在金属离子电池阳极材料中，可提高其电化学性能，其理论容量为1600m Ah/g左右；吸附能如表1所示，保持在0.752-1.868eV。用二维氮掺杂石墨烯C3N材料做阳极材料时，与锂电池相比，达到相同的理论容量时，镁电池在吸收过程中阳极材料的变形大大减小。且镁是一种良性和丰富的金属，是地壳中第8种最丰富的元素，它可以提供比常用的铅酸和镍镉系统高得多的能量密度，可充电镁电池是一种非常有前景的能量储存和转换技术。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种二维氮掺杂石墨烯C3N在金属离子电池中的应用，其特征在于，所述的应用是将二维氮掺杂石墨烯C3N材料，作为金属离子电池的阳极材料使用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的C3N是具有均匀氮原子分布的二维蜂窝晶格组成，其中N和C原子都显示出D_6h对称性。

3.根据权利要求1或2所述的的应用，其特征在于，所述金属离子选自锂、钠、钾、镁、钙、铝中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的的应用，其特征在于，所述二维氮掺杂石墨烯C3N材料作为镁离子电池的阳极材料使用。

5.一种金属离子电池的制备方法，其特征在于，其中，金属离子电池的阳极材料为权利要求1-3中任一所述的二维氮掺杂石墨烯C3N材料，所述制备方法包括：

步骤1，制备二维氮掺杂石墨烯C3N材料；

步骤2，用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极；

步骤3，制备金属盐电解液；

步骤4，将负极电极、二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备的阳极电极和镁盐电解液组装成电池。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2用步骤1制备的二维氮掺杂石墨烯C3N材料制备金属离子电池阳极，包括：

将步骤1中制备得到的二维氮掺杂石墨烯C3N和添加剂在溶剂中混合，形成分散液；

将分散液均匀涂到电极基底表面；

将制备的电极基板在真空条件下干燥处理，制备出所述的二维氮掺杂石墨烯C3N电池阳极。