[发明专利]一种钠离子电池负极材料的制备方法及所制备的负极材料

说明书

本发明公开了一种钠离子电池负极材料的制备方法，首先将噻吩类或噻唑类反应单体溶解于溶剂中，加入催化剂和外交联剂并混合均匀，在‑5～90℃下进行聚合反应，得到沉淀物；然后用稀酸和去离子水洗涤沉淀物，烘干后得到超交联聚合物粉体；再将所述超交联聚合物粉体在惰性气氛下加热至350～1200℃，反应后得到钠离子电池负极材料。该方法使硫元素与碳骨架以共价键形式相结合并在材料体系中形成稳定的硫链，这些链状硫分布在碳骨架中并能够在电池循环过程中与钠发生多电子可逆反应，提高了电池高电压平台范围的比容量，同时具有良好的循环稳定性和倍率性能，有助于提升钠离子电池的安全性。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料领域，具体涉及一种钠离子电池负极材料的制备方法及所制备的负极材料。

背景技术

钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，同时钠元素在地球上的储量更丰富，因此有望替代锂离子电池成为下一代商用化储能器件。但是钠离子半径较大，在传统锂离子电池商用化负极材料石墨中的传输阻力高，这严重限制了钠离子电池比容量和倍率性能的提高。另一方面，低电位下容易发生金属钠在负极材料表面的析出，最终会导致电池的安全隐患。因此，高电位下容量贡献多会更有安全方面的优势。硫掺杂碳材料中，硫元素本身作为反应位点，可以在高电位范围内与钠发生可逆的氧化还原反应并贡献容量，同时由于硫原子半径大于碳原子，因此硫元素的引入可以增加材料中的碳层间距，从而使钠离子嵌入碳层并实现其快速输运成为可能。目前，作为负极材料的硫掺杂碳材料主要有以下制备途径：(1)高温处理硫单质与碳基前体混合物，比如将硫粉与芘混合并高温800度处理，但是这种方法得到的电极材料的性能衰减严重，主要因为硫与碳的共价程度低，未键合的硫会随着循环反应而损失；(2)高温处理含硫有机盐(磺酸钠)或无机盐(硫代硫酸钠)前体，比如将细菌纤维素/聚苯胺与十二烷基苯磺酸钠按一定比例混合，并高温800度处理，但是比容量一般较低，主要是引入的硫含量不高；(3)含硫气氛下与碳基材料高温反应，比如在氮掺杂碳材料中，控制硫化氢/氩气气氛并650度热解得到含硫掺杂碳材料，但是这种方式的硫引入量有限，因此材料的储钠容量不高。例如发明专利CN108428894B公开了一种硫掺杂二维碳材料、其制备方法和应用，其中硫元素含量为4.77-6.9at％，限制了比容量的提高；发明专利申请CN 113078301 A公开了一种利用大层间距二维层状硬碳材料负载金属硫化物制备钠离子电池复合负极材料的方法，硫元素引入量仅为0.43％，比容量较低。

更重要的是，现有方案得到的硫掺杂碳材料在储钠过程中，通常在低电位范围内都有较多的容量占比，这对于改善钠离子电池的安全性是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠离子电池负极材料的制备方法，该方法使硫元素与碳骨架以共价键形式相结合并在材料体系中形成稳定的硫链，这些链状硫分布在碳骨架中并能够在电池循环过程中与钠发生多电子可逆反应，提高了电池高电压平台范围的比容量，同时具有良好的循环稳定性和倍率性能，有助于提升钠离子电池的安全性。

为了解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)将噻吩类或噻唑类反应单体溶解于溶剂中，加入催化剂和外交联剂并混合均匀，在-5～90℃下进行聚合反应，得到沉淀物；

(b)用稀酸和去离子水洗涤沉淀物，烘干后得到超交联聚合物粉体；

(c)将所述超交联聚合物粉体在惰性气氛下加热至350～1200℃，反应后得到钠离子电池负极材料。

所述噻吩类或噻唑类反应单体为噻吩、3，4-乙烯二氧噻吩、3-溴噻吩、苯并噻吩、联二噻吩、噻吩并[3,2-b]噻吩、噻唑或4-甲基噻唑。

优选的，所述催化剂为无水三氯化铁、无水三氯化铝或无水氯化锌，所述外交联剂为二甲氧基甲烷、对二苄氯或对甲氧基苄氯，所述噻吩类或噻唑类反应单体与所述交联剂的物质的量之比为1：1～4，所述噻吩类或噻唑类反应单体与所述催化剂的物质的量之比为1：1～4。