氮掺杂石墨材料、电极、电化学装置及包含其的电子装置的制作方法

本技术涉及储能，更具体地，涉及氮掺杂石墨材料、电极、电化学装置及包含其的电子装置。

背景技术：

1、石墨负极因其较高的理论比容量(372 mah/g)、稳定的层状结构和成熟的产业化应用，成为锂离子二次电池等电化学装置的主流选择。然而，基于石墨负极的锂离子二次电池等电化学装置体系，其能量密度、快充能力提升空间日趋收窄，已难以满足终端应用场景对更高能量输出、更高使用倍率的迫切需求。

2、针对石墨负极体系，现有提升锂离子二次电池等电化学装置能量密度的方法往往不可避免地加剧了循环过程中电化学装置的厚度膨胀，降低了电化学装置的快充性能。

3、因此，急需开发一种氮掺杂石墨材料来同时提高锂离子二次电池等电化学装置的能量密度和快充性能，以及降低锂离子二次电池等电化学装置的循环膨胀。

技术实现思路

1、本技术的目的在于解决现有技术的不足，而提供氮掺杂石墨材料、电极、电化学装置及包含其的电子装置。

2、为了实现上述目的，本技术提供一种氮掺杂石墨材料，所述氮掺杂石墨材料包括石墨，所述石墨表面设置有氮掺杂碳层；

3、所述氮掺杂石墨材料在a轴方向的微晶尺寸为la，在c轴方向的微晶尺寸为lc，0.70≤la/lc≤2.40。

4、本技术的氮掺杂石墨材料通过控制0.70≤la/lc≤2.40同时提高了锂离子二次电池等电化学装置的能量密度和快充性能，以及降低了锂离子二次电池等电化学装置的循环膨胀。

5、具体地，当la/lc过小（<0.70）时，表明氮掺杂石墨材料的微晶在a轴方向的长度la相对于c轴方向的厚度lc不足，氮掺杂石墨材料趋于各向同性，虽然有利于降低锂离子嵌入/脱出时因各向异性膨胀引起的晶格应力，从而抑制电化学装置的循环膨胀和提高电化学装置的快充性能，但过小的la意味着石墨基面（即锂离子存储的主要活性位点）发育不充分，石墨化度偏低，导致氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度下降，难以满足电化学装置的高能量密度需求。

6、反之，当la/lc过大（>2.40）时，表明氮掺杂石墨材料的微晶在a轴方向过度生长，石墨基面尺寸la显著大于层叠厚度lc，呈现强各向异性，虽然有利于提高氮掺杂石墨材料的石墨化程度和储锂容量，从而提高氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度，进而提高电化学装置的能量密度，但在锂离子嵌入/脱出的过程中，氮掺杂石墨材料的石墨片层沿c轴方向发生剧烈且不均匀的膨胀，导致氮掺杂石墨材料的颗粒内部产生较大的内应力和微裂纹，进而显著升高电化学装置的循环膨胀，同时，过大的la会延长锂离子从颗粒边缘扩散至层间深处的路径，增加锂离子传输阻力，恶化电化学装置的快充性能。

7、当la/lc控制在0.70~2.40范围内时，一方面，适度的la保证了石墨基面发育充分，提高了氮掺杂石墨材料的石墨化度和层间储锂容量，从而提高了氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度，进而提高了电化学装置的能量密度；另一方面，适度受限的la相对于lc不过度占优，使得氮掺杂石墨材料的微晶各向异性处于可接受水平，既缩短了锂离子的固相扩散距离（有利于锂离子传输），又抑制了嵌锂过程中c轴方向的过度体积膨胀，从而显著降低电化学装置的循环膨胀和提高电化学装置的快充性能。因此，本技术通过精确调控la与lc的比值，在锂离子二次电池等电化学装置的能量密度、快充性能和循环膨胀之间取得了优异平衡。

8、在一些实施方式中，35nm≤la≤60nm。

9、在一些实施方式中，25nm≤lc≤45nm。

10、在一些实施方式中，1.10≤la/lc≤2.00。

11、在一些实施方式中，所述氮掺杂石墨材料通过x射线衍射法(xrd)得到的(110)晶面的半峰宽为0.16°-0.29°。

12、在一些实施方式中，所述氮掺杂石墨材料通过x射线衍射法(xrd)得到的(002)晶面的半峰宽为0.17°-0.33°。

13、在一些实施方式中，所述氮掺杂石墨材料中氮元素的形态包括石墨氮、吡啶氮和吡咯氮，基于石墨氮、吡啶氮和吡咯氮的总质量，所述石墨氮的质量占比为a，所述吡啶氮的质量占比为b，所述吡咯氮的质量占比为c，0.40≤a/(b+c)≤2.30。

14、在一些实施方式中，0.90≤a/(b+c)≤1.75。

15、石墨氮的引入不会显著破坏氮掺杂石墨材料的石墨层间的碳六元环结构，可以保护电化学装置的快充性能和降低循环膨胀，吡咯氮和吡啶氮能够提供额外的储锂位点，有利于提高电化学装置的能量密度，本技术通过控制a/(b+c)的取值范围，可以进一步提高锂离子二次电池等电化学装置的能量密度和快充性能，以及进一步降低锂离子二次电池等电化学装置的循环膨胀。

16、在一些实施方式中，0.25≤a≤0.75。

17、在一些实施方式中，0.30≤a≤0.70。

18、在一些实施方式中，0.07≤b≤0.40。

19、在一些实施方式中，0.10≤b≤0.35。

20、在一些实施方式中，0.07≤c≤0.40。

21、在一些实施方式中，0.10≤c≤0.35。

22、在一些实施方式中，所述氮掺杂石墨材料的平均粒径dv50为d1，7μm≤d1≤15μm。

23、在一些实施方式中，8μm≤d1≤14μm。

24、在一些实施方式中，10μm≤d1≤12μm。

25、在一些实施方式中，所述氮掺杂石墨材料中，所述氮掺杂碳层的平均厚度为d2，50nm≤d2≤450nm。

26、在一些实施方式中，100nm≤d2≤400nm。

27、在一些实施方式中，200nm≤d2≤360nm。

28、在一些实施方式中，基于所述氮掺杂石墨材料的质量，氮元素的质量占比为0.01%-0.5%。

29、本技术提供一种电极，包括本技术上述的氮掺杂石墨材料。

30、在一些实施方式中，所述电极为负极。

31、本技术提供一种电化学装置，包括本技术上述的电极。

32、本技术还提供一种电子装置，其包括本技术上述的电化学装置。

33、与现有技术相比，本技术的有益效果为：

34、本技术的氮掺杂石墨材料通过控制0.70≤la/lc≤2.40同时提高了锂离子二次电池等电化学装置的能量密度和快充性能，以及降低了锂离子二次电池等电化学装置的循环膨胀。

35、具体地，当la/lc过小（<0.7）时，表明氮掺杂石墨材料的微晶在a轴方向的长度la相对于c轴方向的厚度lc不足，氮掺杂石墨材料趋于各向同性，虽然有利于降低锂离子嵌入/脱出时因各向异性膨胀引起的晶格应力，从而抑制电化学装置的循环膨胀和提高电化学装置的快充性能，但过小的la意味着石墨基面（即锂离子存储的主要活性位点）发育不充分，石墨化度偏低，导致氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度下降，难以满足电化学装置的高能量密度需求。

36、反之，当la/lc过大（>2.4）时，表明氮掺杂石墨材料的微晶在a轴方向过度生长，石墨基面尺寸la显著大于层叠厚度lc，呈现强各向异性，虽然有利于提高氮掺杂石墨材料的石墨化程度和储锂容量，从而提高氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度，进而提高电化学装置的能量密度，但在锂离子嵌入/脱出的过程中，氮掺杂石墨材料的石墨片层沿c轴方向发生剧烈且不均匀的膨胀，导致氮掺杂石墨材料的颗粒内部产生较大的内应力和微裂纹，进而显著升高电化学装置的循环膨胀，同时，过大的la会延长锂离子从颗粒边缘扩散至层间深处的路径，增加锂离子传输阻力，恶化电化学装置的快充性能。

37、当la/lc控制在0.7~2.4范围内时，一方面，适度的la保证了石墨基面发育充分，提高了氮掺杂石墨材料的石墨化度和层间储锂容量，从而提高了氮掺杂石墨材料的可逆容量和压实密度，进而提高了电化学装置的能量密度；另一方面，适度受限的la相对于lc不过度占优，使得氮掺杂石墨材料的微晶各向异性处于可接受水平，既缩短了锂离子的固相扩散距离（有利于锂离子传输），又抑制了嵌锂过程中c轴方向的过度体积膨胀，从而显著降低电化学装置的循环膨胀和提高电化学装置的快充性能。因此，本技术通过精确调控la与lc的比值，在锂离子二次电池等电化学装置的能量密度、快充性能和循环膨胀之间取得了优异平衡。