[发明专利]负极材料的制备方法、负极材料以及钠离子电池

说明书

本发明公开了一种无定型碳负极材料、其制备方法以及钠离子电池，所述方法包括以下步骤：将煤粉和稀盐酸溶液混合搅拌，分离，洗涤，干燥，得到干燥后的煤粉；将所述干燥后的煤粉在还原性气氛下退火处理，得到无定型碳负极材料；其中，稀盐酸溶液的浓度大于等于0.5mol/L，所述退火的温度低于600℃。本发明的制备方法简便易行，利于大规模制备，具有处理过程污染较小且价格低廉的优点，且获得的无定型碳负极材料具有优异的储钠性能，有助于增加全电池能量密度。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，涉及一种负极材料、其制备方法以及钠离子电池。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，能源危机日益严重，大力发展可再生能源的已经成为全世界的共识。然而，可再生能源具有随机性与不稳定性，需要合理搭配和使用能量存储系统。鉴于钠资源储量丰富、成本低廉，钠离子电池在大规模储能领域展现了极佳的应用前景。由于钠离子电池具有与锂离子电池相似的储能原理，大部分锂离子电池的电极材料都可以应用到钠离子电池中。但锂离子电池中常用的石墨负极储钠活性却很低。因此，探索适宜的负极材料成为了钠离子电池发展的关键技术点(Energy Environ.Sci.2021,14,2244)。

钠离子电池负极材料中，碳基负极材料因其制备过程简单、微观结构易于调控而被广泛研究。碳基负极材料主要包括：石墨负极材料，硬碳类负极材料以及无定型碳负极材料。由于钠离子无法稳定存在于石墨层间，石墨负极材料在钠离子电池中的实际容量往往较低，只有通过溶剂共嵌入或是制备膨胀石墨的方式才能实现稳定的钠离子存储。硬碳类负极材料是指在高温下仍难以石墨化的碳材料，其在0.1V处展现了稳定的储钠平台因而具有较高的可逆储钠容量(Adv.Energy Mater.2019,1903176)。无定型碳负极材料能够通过化学吸附以及微孔储钠，同样具有较高的可逆储钠容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负极材料、其制备方法以及钠离子电池。

第一方面，本发明提供一种负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将煤粉和稀盐酸溶液混合，分离，洗涤，干燥，得到干燥后的煤粉；

在还原性气体和惰性气体的混合气氛下，将所述干燥后的煤粉退火处理，得到无定型碳负极材料；

其中，稀盐酸溶液的浓度大于等于0.5mol/L。

本发明的方法中，还原性气体表示具有还原性的气体，具体地，表示能够在高温下还原煤粉中含氧基团的气体。在本发明的一些实施例中，所述的高温是指300-500℃。

本发明的方法中，稀盐酸的浓度例如可以是0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L、0.8mol/L、1mol/L、1.2mol/L、1.3mol/L、1.5mol/L、1.7mol/L、1.8mol/L、2mol/L、2.1mol/L/2.2mol/L、2.3mol/L、2.4mol/L、2.5mol/L等。

本发明的一些实施例中，所述退火的温度为300-500℃。

发明人发现，一般以普通生物质材料或是有机材料制备无定型碳材料，此类方法中，较低温温度下碳化得到的无定型碳材料虽然具有良好的钠离子扩散动力学，展现了优异的倍率储钠性能，但是由于其煅烧温度较低，还存在较多的杂原子，导致其首圈库仑效率不高，全电池的能量密度也有待进一步提升。

本发明的方法使用煤粉作为制备无定型碳材料的原料，通过利用一定浓度的稀盐酸清洗煤炭，可以减少其中杂质含量，同时残余的氯元素在储钠时还能可逆地吸/脱附钠离子，增加储钠容量。通过利用还原性气体和惰性气体的混合气氛进行退火处理，既保证了高温处理过程中的安全性，同时在高温下还原性气体可以还原煤炭中的含氧基团，减少储钠过程中的不可逆反应，提升钠离子电池的首圈库仑效率，进而增加可逆储钠容量。