[发明专利]碳纳米片材料、电极片及其制备方法

说明书

本发明提供碳纳米片材料、电极片及其制备方法，其中碳纳米片材料的制备方法，包括称取鸟嘌呤置于坩埚中，并放入管式炉中进行煅烧，煅烧氛围为氮气，煅烧温度为550‑1100℃，制得碳纳米片材料，煅烧升温速率为10℃min^‑1。本发明首次由低温制备的碳材料也可以表现出超高的平台容量。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，尤其涉及碳纳米片材料、电极片及其制备方法。

背景技术

硬碳材料的储钠机理可以分为三种：碳缺陷及杂元素的吸附储钠、微孔填充储钠及碳层嵌钠。因微孔和碳层间距的尺度较为接近，且充放电曲线的电压平台也高度重合，在研究过程中很难将微孔填充和碳层的嵌钠机制明确地区分开。因此，低电位平台处的容量究竟是微孔填充还是碳层嵌入贡献，抑或两者兼有目前还没有统一的定论。

虽然碳层嵌入对容量是否贡献还存在争论，但大多数研究认为增大碳层间距对提供储钠容量是有利的，然而这些研究结论都源自理论计算或实验现象的定性判断。例如，Zhou等人将含氮碳纳米片在Ar/H₂S氛围中加热得到了氮硫掺杂的材料，使碳层间距从3.47nm增至3.73nm，首次充电容量增加了182mAhg^-1。然而，硫元素的引入同时改变了化学组成和微观结构，因此无法判断储钠容量的提升是由碳层间距的扩大还是吸附活性位点增多所造成。此外，碳层嵌入机制对应于充放电曲线上的平台区域，但掺杂提高的容量一般都处于斜坡区域，由此难以对碳层间距与储钠电化学行为之间的关系作出定论。

理论计算表明，钠离子嵌入石墨碳层所需能量为0.12eV，而当层间距增至 0.37nm后嵌入能量降至0.053eV，且随着间距的增大嵌入能量会继续减小。Cai 等人通过理论计算发现钠离子与碳层的结合能在间距等于0.349nm时为0eV，且在0.425nm时降至最小(-1.38eV)，而后随着层间距的增大又逐渐升高，即存在最佳的碳层间距。同样地，Cao等人通过模拟计算发现碳层间距只有在0.35nm 至0.47nm之间才适合储钠，层间距太小难以嵌钠，太大则变为吸附行为。

虽然上述研究在一定程度上说明了碳层间距和储钠性能之间存在关联性，但仍然缺乏精确的实验手段来调节碳层间距并直接探究该参数与储钠性能之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供碳纳米片材料、电极片及其制备方法。

本发明用鸟嘌呤直接加热制得碳层间距约0.34nm的氮掺杂碳纳米片，用该材料制作电极并在醚电解液中进行了电化学性能测试。测试表明溶剂化的钠离子可以大量嵌入碳层内部，并在0.1V附近产生与硬碳类似的低电压平台。在充放电循环过程中，钠离子的反复嵌入脱出会促使纳米碳层逐渐剥离，并导致碳层间距逐渐变大，与此同时，低电压平台的容量则呈现出先升高后减小并最终消失的趋势。由此说明碳层间距太小时不适合嵌钠，太大时储钠机制则由碳层嵌入转变成吸附性储钠，这直接证明了碳层间可以嵌钠，而且存在最优的储钠间距，这与上述的理论计算结果吻合。此外，在900℃下制得的材料最高比容量可达621mAhg^-1，是目前已报道文献中的最高值，其低电压平台储钠容量也达到了338mAhg^-1，是首次发现低温下制备的碳材料也可以表现出超高的平台容量，这超出了目前对碳层间储钠潜力的认知程度。

本发明采用如下技术方案：

碳纳米片材料的制备方法，包括称取鸟嘌呤置于坩埚中，并放入管式炉中进行煅烧，煅烧氛围为氮气，煅烧温度为550-1100℃，制得碳纳米片材料。

煅烧温度为550℃。

煅烧温度为700℃。

煅烧温度为800℃。

煅烧温度为900℃。

煅烧温度为1000℃。

煅烧温度为1100℃。