[发明专利]一种高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，尤其涉及一种具有优异储钠性能的高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法，所述硬碳负极包括多孔碳和用于调节表面孔口尺寸的化学气相沉积碳；所述硬碳负极保留了所述多孔碳内部连贯的孔道结构。本发明通过化学气相沉积设计出碳包覆的碳‑碳复合结构，实现对多孔碳表面孔口尺寸的调控，同时结合前驱体颗粒粒径、比表面积、孔径以及气源浓度和催化剂对储钠性能的影响，设计出在首次库伦效率、倍率性能、平台容量上表现优异的硬碳负极，对推动高能量密度钠离子电池的商业化进程具有指导意义。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，尤其涉及一种具有优异储钠性能的高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法。

背景技术

随着如今信息化社会的高速推进以及文明的科学化发展，能源格局正发生着重要的变革。众所周知，化石能源的大量消耗会带来众多的环境问题，诸如城市空气的恶化以及全球变暖，其后果令人担忧。此外，贫油少气的资源特点使得我国对国外化石能源的依存度居高不下，这将带来持续走高的能源安全风险。在此背景下，以风能、水能、太阳能为代表的绿色能源成为我国摆脱能源危机的重要突破口。而随着如今电动中国政策的推进，储能作为智能电网中不可或缺的环节带来了巨大的市场需求。尽管锂离子电池如今仍是电化学储能的主要体系，但受锂资源储量和分布不均匀的限制，很难在未来独自承担起储能产业大规模发展的压力。相比之下，钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉，因而和锂离子电池同期问世的钠离子电池再次回到人们视野中，成为各国竞相发展的储能技术，也是我国在新能源行业领先世界的重要契机。

在众多可供钠离子电池选择的负极材料中，碳负极具有较低的电位、较高的容量、稳定的物化性质以及低廉的成本，成为钠离子电池商业化发展的首选负极材料。然而促成锂离子电池商业化的石墨负极，却因与钠之间的低阶插层化合物热力学不稳定而无法用作钠离子电池的负极。硬碳材料具有较大层间距、丰富的缺陷以及石墨微晶无序堆叠形成的纳米孔结构，这些都成为可用于钠离子储存的活性位点，因此成为最有希望推动钠离子产业化的负极材料。然而，自2000年硬碳用作钠电负极至今，人们仍然不能透彻的理解钠离子在硬碳无序结构中的储存机理，且研究中被选作负极的硬碳材料大多首次库伦效率较低、平台容量较短，再加上合成成本高昂，使得钠离子电池的商业化进程很难进一步推进。

有鉴于此，有必要提供一种具有优异储钠性能的高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法，其在多孔碳颗粒表面通过化学气相沉积的方法包覆一层碳材料以实现对多孔碳表面孔口尺寸的调控，同时发现多孔碳颗粒的粒径、孔径和多孔碳前驱体的比表面积对硬碳负极的性能影响很大，从而做出了优化选择。该方法的提出对推进钠离子电池硬碳负极的商业化进程具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种具有优异储钠性能的高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法，其采用化学气相沉积碳包覆多孔碳颗粒的结构，在调节表面孔口尺寸的同时可以保留内部孔道的连贯性，有助于钠离子在孔道内部的快速扩散和储存；同时所选用的前驱体具有合适的粒径，有助于加快离子的固相扩散速率；材料的内部孔容可以提供充足的储钠空间，同时实现快速的离子传输。综合以上设计要求，所设计的结构可进一步提升该硬碳负极的平台容量、首次库伦效率、以及倍率性能，促进钠离子电池的商业化。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高能量密度钠离子电池用硬碳负极的制备方法，所述硬碳负极包括多孔碳和用于调节表面孔口尺寸的化学气相沉积碳；所述硬碳负极保留了所述多孔碳颗粒内部连贯的孔道结构；所述硬碳负极的制备方法至少包括如下步骤：

第一步，对多孔碳前驱体进行研磨，得到合适粒径且内部具有丰富纳米孔道的多孔碳粉末；

第二步，将多孔碳粉末放入管式炉中，通入保护气体，以一定的升温速率升温至目标温度；

第三步，通入含碳元素气源，在目标温度下进行化学气相沉积；该温度使含碳气源快速裂解，气氛中的含碳小分子浓度升高。