[发明专利]一种棒状钠离子电池负极碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料制备技术领域，具体涉及一种棒状钠离子电池负极碳材料的制备方法。

背景技术

随着可持续发展的进行，为了以电代替石油，缓解矿物能源压力，降低城市污染，发展电动汽车已成为当务之急，而电动车的关键则是电池。体积小、重量轻、自放电小、比能量高的锂离子电池得到了广泛的应用并逐步取代比较传统的电池。但是该体系仍然存在一些函待解决的问题，比如说较差的安全性能以及高成本。随着电动汽车、智能电网时代的真正到来，全球的锂资源将无法有效满足动力锂离子电池的巨大需求，从而将进一步推高与锂相关材料的价格，增大电池成本，最终阻碍新能源产业的发展。

钠离子电池是目前最具研究价值的电池之一。与锂离子电池相比，其密度高可以储存更多能量，适合大规模储能，同时原料资源丰富易得，钠元素和锂元素位于元素周期表同一主族，有相似的物理化学性质。故钠离子电池能负担起可持续绿色能源开发的重任，有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。

电池的负极材料多采用碳材料，对于石墨化的碳而言，一方面由于钠离子的半径大于锂离子半径，因此钠离子不能像锂离子那样嵌入到石墨层间；另一方面金属钠的化学电位高于碳材料活性位点的电位，故没有足够的能量推动钠离子嵌入到碳层间隙，而是沉积在电极表面，当碳层层间距大于时，钠离子才能进入到石墨层间，可以通过制备氧化石墨的方法扩大层间距，使得钠离子更容易嵌入到石墨烯片层间。生物碳的层间距远大于石墨，相互交错的层状结构使得钠离子可以从各个方向嵌入和脱出，并且与电解液相容性好于石墨材料。生物碳材料作为钠电池负极结构稳定，没有因体积膨胀而引起的卷曲，有非常稳定的循环寿命，钠离子通过表面空隙的迁移很快，具有良好的倍率性能。

目前研究者们已经发现，玉米棒[Liu P, Li Y, Hu Y S, et al. A waste biomass derived hard carbon as high-performance anode material for sodium-ion batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(34). ]、冬青叶[Peng Z, Liu T, Yuan X, et al. Enhanced Performance by Enlarged Nano-pores of Holly Leaf-derived Lamellar Carbon for Sodium-ion Battery Anode[J]. Sci Rep, 2016, 6:26246. ]、香蕉皮[Lotfabad E M, Ding J, Cui K, et al. High-Density Sodium and Lithium Ion Battery Anodes from Banana Peels[J]. Acs Nano, 2014, 8(7):7115-29. ] 等都可制备适宜钠离子嵌入脱出的碳负极材料。这种碳材料的优点在于在原有材料的基础上形成多级分布的孔隙结构,增大电解液和材料的接触面积,提升碳材料的电化学性能。但是其制备工艺较为复杂,且层与层、颗粒与颗粒之间为无序堆积,不利于电解液的完全渗透。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是利用花生衣作为生物质碳的原料制备一种易于实现、低成本的高导电性能的一种棒状钠离子电池负极碳材料的制备方法。该方法制备的棒状碳材料可以有效改善离子和电子的扩散传输，提高电池的性能，并且具有无污染、成本低的优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种棒状钠离子电池负极碳材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A；

步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为2～6mol/L的硫酸溶液B；

步骤三：取0.5～3g花生衣放入10～60ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封，设置微波水热反应温度为150～200℃，反应1～5h，自然冷却到室温，得到前驱物C；

步骤四：将前驱物C离心，洗涤数次后冷冻干燥，得到物质D；

步骤五：将D和KOH以1：(0.3～2)的质量比混合均匀，在氩气保护下,在900 ～1100℃下锻烧1～5h后洗涤、烘干得到棒状钠离子电池负极碳材料。

进一步地，步骤一物质A的厚度都小于0.5mm。

进一步地，步骤一和四中冷冻干燥的温度均为﹣20～20℃，时间为12～48h。