[发明专利]一种钠离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种钠离子电池负极材料及其制备方法，包括以下步骤：将煤基炭材料分散在酸性溶液中，搅拌至反应结束后，洗涤干燥，得到第一中间产物；对第一中间产物进行研磨处理，将研磨处理后的第一中间产物与细菌纤维素混合均匀，搅拌至反应结束后，干燥得到第二中间产物；将第二中间产物在惰性气氛中碳化处理后，得到所述钠离子电池负极材料；碳化温度为1000～1500℃。该制备方法构建了具有适宜的孔隙度的三维网状结构的煤基负极材料。这种三维网状物质可以为钠离子嵌入和脱嵌过程中发生的体积变化提供应力缓冲，减少损失进而提高其可逆容量；还可以加速电子的传递，为电解液提供传输通道，进而提高电化学性能。

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料技术领域，涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

化石资源的使用带来了经济的发展，但是在化石资源供应紧张的前提下，开发一种清洁并且可持续性的资源备受人们的关注。目前已经发现了很多种可再生能源，但是这些能源都不能直接利用，这要求我们开发一种高效，能够储存更多能量的储能装置。锂离子电池具有容量大、工作电压高、能量密度高、体积小和无污染等特点受到人们的欢迎，广泛应用于各种电子设备以及电动汽车中，但是，锂资源在地壳中的含量仅有0.0065％，并且在提取锂资源时具有较大的难度，成本也在逐年攀升。开发钠离子电池来部分替代锂离子电池显得尤为重要。经过一系列研究发现可用于钠离子电池的正极材料非常多，并且性能也较为优异，常见的有：金属氧化物(Na_XMO₂)、聚阴离子类正极材料(在钠离子电池中常见的正极材料是NaFePO₄)和普鲁士蓝及其类似物等，当应用于钠离子电池时，它们均具有优异的电化学性能。但是，想要发展钠离子电池，其负极材料的选择仍旧是一大难题。

目前用作钠离子电池负极材料大概有四种，分别为钛基氧化物、合金类、有机化合物以及碳材料。钛基氧化物具有较长的循环性能，但是库伦效率比较低，价格也比较贵，限制了它的发展；合金类电极材料在充放电过程中会发生一定的体积膨胀，破坏材料本身的结构，循环寿命一般比较短，无法长期使用；有机化合物的电子的导电性不足，并且在充放电初期，初始库伦效率很低，具有较大的不可逆容量；碳基材料具有成本低和来源广泛等优点，引发了一系列的研究。石墨在锂离子电池中发挥着重要的作用，将石墨进行改性可以应用于钠离子电池，但是通过改性后，材料的比表面积过大，造成首次充放电过程中不可逆容量增加。Wang等人通过加入模板(NaCl)、氧化剂(KMnO4)和活化剂(NaOH)，通过Hummers法合成了煤基多孔碳/石墨烯炭材料(rCG)，该种碳材料在比容量为332mA h g-1,但是ICE(初始库仑效率)仅有28.6％，这主要是由于rCG碳材料的比表面积为410m²/g，该比表面积过大，与电解质的接触面积很大，使得钠离子容易与电解质发生反应。

而煤炭作为一种典型的碳材料，在我国资源储备丰富。根据煤炭变质程度的高低，煤一般可分为四类：无烟煤、烟煤、褐煤以及泥炭。煤化程度的不同导致每种煤的结构组成也不尽相同，煤化程度低的煤种含有比较少的芳环结构和一些小分子有机物质，煤化程度高的煤种含有较多的芳香和交联结构。煤以低成本、原料丰富和含碳量高等优点被认为是一种天然碳源，大量的碳元素为其用作储能材料提供前提，煤中存在的官能团和缺陷位置可以提供钠离子的活性位点，快速发生电化学反应。但是单纯的煤基炭材料比表面积太低，比容量低，无法满足实际需求；在进行充放电时，钠离子嵌入和脱嵌过程中会发生不可逆的体积膨胀，影响电池的循环稳定性，为了改善煤基炭材料的电化学性能，通常对煤样进行一系列化学处理，使其形成分级多孔结构，包括酸刻蚀、碱刻蚀以及氧化剂处理，但是该方法制得的煤基负极孔结构不可控，往往导致材料的比表面积过大，进而导致电池的初始库伦效率的较低，进而影响电极材料在全电池中的电化学活性，同时碱原料无法回收，造成成本的增加。

发明内容