[发明专利]一种用于锂/钠离子电池的多孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学和材料化学技术领域，特别涉及一种多孔碳材料的制备，具体为一种锂/钠离子电池的负极材料的制备方法。

背景技术

传统矿物燃料的使用造成温室效应、酸雨、空气污染等环境问题日益锐化。随着可再生能源的发展，太能能、水力发电、潮汐发电和地热等提供了源源不断的能量。为了应对不同的储能需求和电源化学的发展，锂离子电池以其成本低、循环寿命长、自放电小以及环境友好等特点，迅速占据了手机、笔记本电脑等可携式电子设备的市场。但是随着电动汽车和规模储能设备市场需求的进一步增加，以及金属锂资源的地壳存储量只有20 ppm并且在全球分布不均，势必会造成锂离子电池成本升高。

金属钠元素，是第二个最轻和最小的碱金属元素，具有和锂相似的物化性质。同时，金属钠元素地壳含量在1%以上，而且分布均匀，来源广泛，可以有效降低成本。随着对钠离子电池的电极材料、电解液、隔膜等的进一步优化研究，尤其是在未来的大规模储能设施上，有潜力替代锂离子电池而被广泛应用。

合金材料金属锡、锑，金属氧化物以及碳基材料等都可以用来作为锂离子和钠离子电池的负极材料。目前商业锂离子电池的负极材料多采用价格低廉的石墨类碳材料，理论容量为372 mAh/g。但是对于钠离子电池，由于 Na⁺半径（1.02 Å）比Li⁺（ 0.76 Å）要大一些，石墨层间距只有0.37 nm，钠离子难以嵌入到石墨层间，仅仅形成NaC₆₄高阶化合物，质量比容量只有35 mAh/g。由于软碳、硬碳等非石墨类碳材料的层间距较大，无序度较高，非常有利于钠离子的脱嵌，是研究广泛的一类材料。例如水热法制备的碳基中空纳米球，高温热解碳，模板法制备得到的模板碳材料等等，都在循环性能，比容量等方面起到了一定的改善作用。但是这些制备方法涉及到模板、水热等实验步骤复杂，成本较高，不利于大规模生产。而其他合金类负极材料在钠离子脱嵌过程体积膨胀效应非常大，不利于循环稳定性。因此，亟需寻找一种易于合成的碳材料作为锂离子和钠离子电池的负极材料。

发明内容

为克服锂/钠离子电池负极材料循环性能和倍率性能差以及循环稳定性差的问题，本发明提供了一种循环稳定性好、理论比容量高的多孔碳材料及其制备方法，该制备方法简便易行，成本低，无污染。

本发明的技术方案为：一种用于锂/钠离子电池的多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将原料放入瓷舟中，将瓷舟放入管式炉中，向管式炉中通入保护气氛，升温速率为1-10℃/min，煅烧温度为400-1300℃，煅烧时间为2-10h，得到中间产物；所述原料包括海藻酸钠或异抗坏血酸钠或葡萄糖酸钠或谷氨酸钠；

步骤二：将步骤一得到的中间产物浸泡在后处理溶液中，搅拌后用去离子水和乙醇溶液分别洗涤，之后将洗涤后的产物放于真空干燥箱中进行干燥，得到多孔碳材料；所述的后处理溶液采用盐酸或硝酸或硫酸或醋酸或草酸。

所述步骤一中的保护气氛包括氮气、氩气、氦气、氩氢、氖气中的一种或者任意两种或者任意三种或者任意四种或者任意五种的混合气体。

所述步骤二中的后处理溶液质量分数在1-100%之间。

所述步骤二中的搅拌时间为1-48h，干燥温度为40-90℃，干燥时间12-48 h。

与现有发明相比，本发明会产生如下有益效果：

本发明采用来源广泛，采用易于得到的原料如海藻酸钠，异抗坏血酸钠，葡萄糖酸钠等，成本低并且无毒无污染。制备工艺非常简单，有利于大规模生产。最后得到的多孔碳材料具有纳米级尺寸，比表面积大（比表面积根据煅烧温度的不同可以控制在33-1300 m²/g的范围内），孔状结构分布均匀，微钠尺寸可以缩短锂离子/钠离子的传输路径，比表面积大有利于电解液和电极材料的接触，多孔结构有利于增加储锂/储钠活性位点。根据本发明制备的多孔碳材料，组装成锂离子和钠离子电池，循环稳定性良好，循环寿命长，循环比容量高，倍率性能良好。因此本发明中的多孔碳材料及其制备方法，为锂/钠离子电池的进一步应用提供了可能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图1为本发明实施例1中制备的多孔碳材料的透射电镜照片。

附图2为本发明实施例2中制备的多孔碳材料组装成锂离子电池后测试得到的循环性能图。

附图3为本发明实施例3中制备的多孔碳材料的透射电镜照片。

具体实施方式