[发明专利]硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法

说明书

本发明涉及硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，本发明选用商业化硬碳作为钠离子电池的负极材料，NaPF₆‑DGM为电解液，Celgard 2325为隔膜，组成的钠离子电池，在电化学性质上具有更小的极化电压和优异的循环倍率性能，同时具有高首效和高库伦效率，兼顾高容量和长寿命，在1A g^‑1的电流密度下，循环3500圈，仍然具有224.4mAh g^‑1的容量。

技术领域：

本发明提供硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，属于钠离子电池技术领域。

背景技术：

锂离子电池(LIBs)作为一种新型储能装备已经受到广泛关注(Adv.Mater.2018,30,1800561)。但是随着人们对大型储能装备的需求，锂资源含量的匮乏以及昂贵的价格限制了锂离子电池在大型储能设备中的发展。相对而言，钠离子电池(NIBs)虽然能量密度较低，但在自然界中的含量丰富，与锂的化学性能类似，钠离子电池与锂离子电池的组成、原理相似，可以用铝箔作为集流体，降低了组装成本，越来越受到科研工作者的青睐。但是由于钠离子半径比锂离子半径大，使得钠离子在循环过程中，发生大的体积膨胀效应，从而导致容量的衰减。因此寻找高容量、长循环寿命、优异倍率性能的钠离子负极材料仍然是目前面临的一个挑战(Chem.Soc.Rev.2017,46,3529)。

相对于合金机制的Sb和Sn的负极材料(Adv.Mater.2017,29,1700622)，和转化机制的过渡金属氧化物和硫化物(Adv.Funct.Mater.2018,28,1804458)，脱嵌机制的材料是最具商业应用潜力的材料(锂离子电池已经给了我们证明)，但是已经商业化的锂电负极石墨材料，在钠离子电池中表现出的性能不优异，因为，石墨的层间距并不适合离子半径较大的钠离子进行脱嵌，相对而言，硬碳材料具有无序的结构，更有利于钠离子的吸附和脱嵌(Adv.Energy Mater.2017,7,1602898)。

目前，人们对于硬碳材料的研究分为以下几类：第一，运用不同的原料合成结构不同的硬碳材料，比如纳米结构、空心结构、二维结构等等(J.Alloys Compd.2017,701,870)，虽然这些材料表现出好的电化学性能，但是没有商业应用价值。生产中需要的是微米级的材料，具有小的比表面积和高的振实密度，从而表现出高的体积比容量。第二，是对硬碳材料反应机制的探究，综合众多研究，大部分人认为硬碳材料在酯类电解液属于吸附-嵌入机理(Adv.Energy Mater.2017,7,1700403)。并通过各种原位/离位表征手段给出了证明。第三，探究不同电解液以及添加剂对电化学性能的影响(Energy Storage Mater.2019,16,146)。

现有对硬碳材料的研究大都是利用实验室合成的硬碳，对商业化硬碳的利用以及研究很少，同时将硬碳材料用于电池中都忽视了界面膜的形成以及对电化学性能的影响，得到的电池电化学性能都不高。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法。

本发明选用商业化硬碳作为钠离子电池的负极材料，NaPF₆-DGM为电解液，Celgard 2325为隔膜，组成钠离子电池，通过原位/离位手段对其在该条件下的电化学反应机制、SEI膜的形成机理和成分、以及电解液浓度对其电化学性质的影响进行验证，证明了，在本发明的应用条件下组成的钠离子电池在电化学性质上是具有更小的极化电压和优异的循环倍率性能，具有高首效和高库伦效率，兼顾高容量和长寿命，循环3500圈，仍然具有224.4mAh g^-1的容量。

术语说明：

硬碳：是指难以被石墨化的碳，通过高分子聚合物的热分解得到的碳。

商业化硬碳：市场在售硬碳。

为达到以上目的，本发明是通过如下技术方案实现的：