[发明专利]碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料及其制备方法和在制备钠离子电池负极中的应用。碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料是以碳纳米管贯穿连接多个碳空心多面体纳米球，形成糖葫芦串状结构。制备方法：首先在碳纳米管表面生长ZIF‑8颗粒，形成糖葫芦串状结构，然后通过单宁酸处理ZIF‑8@碳纳米管得到前驱体，最后通过碳化处理获得最终产物。本发明可提高碳空心纳米球的储钠能力和结构稳定性，使其具有较高的可逆容量和稳定的循环性能。碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料作为钠离子电池负极材料具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，具体涉及一种碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料及其制备和应用。

背景技术

锂离子电池虽然应用广泛，但是锂储量有限，分布不均，限制了锂离子电池的进一步发展。钠具有和锂相似的电化学性能，但储量丰富，原材料价格较低，在世界各地广泛分布，并且钠离子电池与锂离子电池具有相似的脱嵌机制，因此钠离子电池是替代锂离子电池的最好候选者之一。

负极材料是限制钠离子电池电化学性能的主要因素。碳基材料具有原料丰富，成本低廉，合成简单，工作电位低等特点，十分适合构建性能优异的钠离子电池。

在碳基材料中，硬碳材料具有相对良好的储钠性能，其储钠主要通过表面吸附-嵌入机理，因此为了提高储钠能力，需要增大材料的比表面积，为表层吸附提供更大的空间；此外也需要进一步提高其电导率，以改善大电流充放电性能。构建多孔结构的碳材料是当前的一个主要策略，但是多孔碳材料如果粒径小，则容易团聚；如果粒径大，则电解液不易渗透到材料的中心，而且粒径大的多孔材料结构不稳定，循环性能较差。和多孔结构相比，碳空心纳米球的比表面积也很大，完全适合储钠。K.Tang等人在2012年就已报道了碳空心纳米球用于钠离子电池(Hollow carbon nanospheres with superior rate capabilityfor sodium-based batteries,Advanced Energy Materials 2012,201100691.)。目前大部分碳空心纳米球是采用SiO₂，聚苯乙烯小球等模板制成，而且在制备的电极中碳空心纳米球之间的接触不紧密，接触电阻较大，因此碳空心纳米球在钠离子电池领域的应用还有待更深入的研究。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料，作为钠离子电池负极材料具有较高的可逆容量和循环性能，在钠离子电池领域具有重要的应用价值。

一种碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料，所述碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料是以碳纳米管贯穿连接多个碳空心多面体纳米球，形成糖葫芦串状结构。

优选地，所述碳纳米管是晶态材料，外径10-100nm。

优选地，所述碳空心多面体纳米球是非晶态材料，尺寸100-1000nm，壁厚5-100nm。本发明中，碳空心多面体纳米球的“尺寸”指的是碳空心多面体纳米球的外接球体的直径。

优选地，所述碳空心多面体纳米球由单宁酸碳化形成。

本发明还提供了所述的碳纳米管串碳空心多面体纳米球材料的制备方法，包括步骤：

(1)将360-1440mg Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于20mL甲醇，搅拌10min，作为溶液1；975-3900mg二甲基咪唑和40mg酸化后的碳纳米管溶解于20mL甲醇，溶液超声处理4次，每次5min，作为溶液2；将溶液1倒入溶液2，搅拌5min形成混合溶液；将混合溶液转移到100mL特氟龙高压釜，将特氟龙高压釜放入90℃烘箱保温6h，待自然冷却后，用甲醇清洗三遍，离心收集产物，将获得的产物放入60℃烘箱烘干，得到ZIF-8@碳纳米管；