[发明专利]一种具有高斜坡容量的碳基负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明实施例涉及一种具有高斜坡容量的碳基负极材料及其制备方法和用途，所述方法包括：将碳源前驱体置于坩埚中，放入加热设备内，在惰性气氛下以0.2℃/min‑30℃/min的升温速率升温至400℃‑1000℃；其中，碳源前驱体包括化石燃料、生物质、树脂、有机化学品中的任意一种或至少两种的组合；在400℃‑1000℃下对碳源前驱体进行低温热处理，时间为0.5‑48小时，使碳源前驱体碳化，即得到碳基负极材料；通过低温热处理得到的碳基负极材料比表面积小于10m²/g。将所得的碳基负极材料组装为钠离子电池后在0‑2.5V之间充放电，得到具有高斜坡容量的电压曲线，其中，斜坡容量在180mAh/g以上，首周库伦效率在75％以上。经过对其表面进行包覆，可以进一步减小比表面积，提高首周效率和可逆比容量。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种具有高斜坡容量的碳基负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

能源是人类社会赖以生存的基础，并且随着人类社会的发展，人们对能源的需求越来越大。人类目前的能源主要来源于石油、煤和天然气等化石燃料，但是这些能源储量有限，难以维持人类的可持续发展，并且会带来严重的温室效应和环境污染问题。最近几年，以太阳能、风能、潮汐能等为代表的清洁能源受到人们的广泛关注，但是这些能源的输出具有时间间断性和空间分布不均匀性。因此，研究和开发高效、廉价的大规模储能技术，成为能源可持续发展的关键环节，也是国家未来能源战略的重要组成部分。储能技术主要包括物理储能和化学储能。物理储能包括压缩空气储能、抽水储能、飞轮储能和超导储能等。化学储能主要指电化学储能，包括锂离子电池、铅酸电池、全钒液流电池、高温钠硫电池和超级电容器等。效率高于80％的电化学储能体系能满足大规模储能市场的需求。与其他几种储能技术相比，锂离子电池在储能应用领域展现出巨大优势，并且也成为了最近兴起的新能源动力电池的首选，锂离子电池的生产制造达到了空前规模，这必然会导致锂资源的大量消耗和价格上涨。事实上，锂资源在地壳中的含量并不丰富，且资源分布十分不均匀，主要集中在南美洲地区，不断上涨的锂资源价格逐渐要求人们关注其他类似的电池体系。

钠与锂处于同一主族，具有相似的化学性质，且钠在地壳上的资源丰富。与锂离子电池相比，钠离子电池因其具有非常大的资源优势而再次成为科研工作者的研究热点。负极材料是制约钠离子电池大规模发展的一个重要因素。由于金属钠比较活泼，在实际的钠离子电池中不能以金属钠作为负极。而被锂离子电池广泛应用的石墨负极由于热力学原因也几乎不具备储钠性能，所以钠离子电池负极材料的研发面临着很大的困难与挑战。目前被广泛研究的钠离子电池负极材料主要有碳基负极材料、过渡金属氧化物、合金类负极材料和有机化合物等。其中，碳基负极材料由于具有相对较高的储钠容量、较低的储钠电位和优异的循环稳定性而成为最有应用前景的钠离子电池负极材料。

目前研究报道的大部分碳基负极材料的电化学曲线都包含平台段(平台段指电化学曲线中曲线斜率几乎为0的一段区间)和斜坡段(斜坡段指电化学曲线中曲线斜率非零的一段区间。为定量描述斜坡段，不同文献中根据实际电化学曲线特点以及作者的偏好，有两种定义方式：大于0.2V以上为斜坡段，或者大于0.1V以上为斜坡段。但实际上0.1-0.2V之间容量贡献并不大，所以可以统一认为0.1V以上为斜坡段)。平台段充放电过程动力学速度很慢，因此会导致较差的倍率性能。然而电池体系的功率特性显著依赖于负极材料的倍率性能，进一步提高碳基负极材料的倍率性能是研究者的关注重点，也是促进钠离子电池商业化的一个根本动力。因此，开发一种高倍率的碳基负极材料成为了研究重点。相比于平台段较差的动力学速度，斜坡段具有较好的倍率倍率。因此开发只具有斜坡段或者大部分容量来自于斜坡段的碳基负极材料是解决碳基负极材料倍率性能差的一个重要手段。但是，目前研究报道的这类碳基负极材料要么可逆比容量较低，要么首周库伦效率较低，一般低于50％。较低的可逆比容量不能满足电池体系的能量密度需求。当应用于全电池时，较低的首周库伦效率会大量消耗来自于正极的有限的钠离子，从而降低电池体系的能量密度以及循环寿命。因此，开发高容量高倍率高首效碳基负极材料的制备方法是实现钠离子电池产业化应用的关键所在，具有非常大的应用前景。