[发明专利]一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用，所述扩层碳材料是以针状焦为碳源，与钠盐扩层剂混合形成溶液并水浴蒸干，所得混合物经过高温煅烧使得阴离子进入石墨层，随后用蒸馏水洗涤样品除去干扰离子，烘干即可得到高性能的钠离子电池负极材料。本发明方法制备阴离子扩层碳材料具有制备工艺简便，绿色环保，且作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环性能及大倍率充放电性能，在能量存储领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料技术领域，具体地，涉及一种用于钠离子电池负极的阴离子扩层碳材料的制备方法。

背景技术

随着可再生能源(如风能、太阳能等)在世界范围内的快速发展，锂离子电池由于其优异的电化学性能和诸多优点受到了广泛关注。锂资源的稀缺性、分布不均匀以及逐年上升的锂消耗量导致锂离子电池的价格偏高，限制了锂离子电池在智能电网等大规模储能体系中的应用。因此，寻找一种低成本且可持续发展的替代物变得尤为关键。同属于碱金属元素的钠具有与锂相似的理化性质，其储量丰富，分布广泛且价格低廉，是极具前景的新型储能器件。此外，Na⁺/Na（-2.71 V vs 标准电极电位）有着与Li⁺/Li（-3.04 V）相似的氧化还原电位。然而，由于钠离子比锂离子半径大（1.02 Å vs. 0.76 Å），使得其反应动力学较慢，且在负极材料中的脱/嵌过程更为困难。因此钠离子电池的能量密度会普遍低于锂离子电池的能量密度。基于此，研究开发可媲美锂电的高能量密度，长寿命的电极材料受到了广泛的关注。

目前钠离子电池负极材料研究较多的主要分为碳基类及非碳基类材料，非碳材料包括金属氧化物及合金类，虽然其具有高的理论容量，但其导电性差且循环性能不稳定；相较于非碳基材料，碳基负极材料资源丰富，有着优良的导电性以及良好的理论容量，且制备过程容易。从资源和成本以及各项性能来看，碳材料看起来是最有前途的一种负极材料。针状焦作为一种传统大宗碳材料，表面呈纤维状结构，具有低成本、低灰分、低孔隙度、低膨胀系数、高导电率及易石墨化等一系列优点。然而，针状焦的层间距只有0.34 nm左右，而钠离子电池中钠离子要进行自由脱嵌的层间距至少为0.37 nm，因此扩大针状焦的层间距使其适合钠离子的脱嵌是至关重要的。

在目前的研究中，Wen等（[J]. Nature communications, 2014, 5, 4033）采用改进的Hummer 's法将天然石墨氧化成氧化石墨，并对氧化石墨进行部分还原得到膨胀石墨，在20 mA g^-1电流密度下的可逆容量为284 mA h g^-1。Fu等（[J]. Nanoscale, 2014, 3,1384-1389）通过热解经前处理的聚吡咯得到氮掺杂的多孔碳纤维，再通过KOH活化后得到层间距为0.40 nm的氮掺杂多孔碳纤维，在50 mA g^-1电流密度下可以达到296 mA h g^-1的可逆容量。相较上述扩层方法，阴离子扩层方法简单，制备容易，并且对材料的性能也有很大的提升。

发明内容

本发明旨在提供一种制备工艺简单，循环性能稳定且优异的阴离子扩层碳材料用于钠离子电池负极材料。

本发明所采取的技术方案如下。

一种阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，用适量的醇类有机溶剂将碳材料充分分散，加入扩层剂钠盐，然后将混合物置于带有超声装置的搅拌器中进行搅拌、超声处理，再将处理后的混合物在水浴锅中旋转蒸干，得到固体产物，再将得到的固体产物置于管式炉中煅烧，最后将煅烧后产物水洗至中性，干燥，得到的固态产品即为碳层间距增大且碳层表面具有缺陷的阴离子扩层碳材料。

如上所述制备方法，其特征在于，所述碳材料为煤基针状焦，所述醇类有机溶剂为乙醇，所述扩层剂钠盐为NaCl、NaNO₃、Na₂SiO₃中的任意一种。