[發(fā)明專利]一種用于鈉離子電池負(fù)極材料的瀝青基炭納米片的制備方法及其應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611066782.4
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106784830A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱介山;肖南;郝明遠(yuǎn);王玉偉
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/054;C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所21208
• 代理人: 王樹本

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于鈉離子電池負(fù)極材料的瀝青基炭納米片的制備方法及其應(yīng)用，屬于碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著能源危機(jī)以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，社會對基于能源互聯(lián)網(wǎng)的近零碳排放推廣非常期待，這對分布式儲能技術(shù)提出更高要求。同時(shí)，新能源電動汽車、高鐵/城市軌道交通制動能量回收等領(lǐng)域也迫切需求高能量密度、高功率密度兼顧的電化學(xué)儲能器件。鋰離子電池由于其能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于家用電子產(chǎn)品、便攜式設(shè)備和電動汽車。然而由于鋰資源有限、鋰電池價(jià)格居高不下，導(dǎo)致其在大規(guī)模儲能體系中的運(yùn)用十分有限。鈉與鋰屬于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相近，且儲量十分豐富，鈉離子電池的生產(chǎn)成本將遠(yuǎn)低于鋰離子電池，開發(fā)鈉離子電池作為鋰離子電池的替代品應(yīng)用于大規(guī)模儲能體系合理可行。

由于鈉離子的半徑較大，鈉離子電池研究中使用的炭基負(fù)極材料主要為碳層間距較大、石墨化程度較低的硬炭材料。硬炭前驅(qū)體主要為生物質(zhì)、高分子聚合物、樹脂等，其中瀝青基硬碳負(fù)極材料具有高炭收率、適宜的碳層間距和優(yōu)異的導(dǎo)電性，有望在商業(yè)化鈉離子電池中得到廣泛應(yīng)用。

硬炭負(fù)極材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)會影響材料與電解液接觸面積、鈉離子擴(kuò)散路徑等，最終影響材料電化學(xué)性能。專利CN105098186A將硬碳前驅(qū)體與軟碳前驅(qū)體混合后經(jīng)交聯(lián)、固化、炭化等處理后，得到無定型炭材料應(yīng)用于鈉離子電池，但是該方法制備的硬炭負(fù)極材料為微米級顆粒，電解液和負(fù)極材料接觸不夠充分，影響負(fù)極材料的電化學(xué)性能。設(shè)計(jì)構(gòu)筑高儲鈉活性的硬炭材料成為鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。其中具有多級孔道結(jié)構(gòu)的硬炭納米片具有與電解液接觸面積大，鈉離子傳輸路徑短等優(yōu)點(diǎn)，得到研究者廣泛關(guān)注。雜原子摻雜可明顯增加材料表面可逆儲鈉活性位，有助于提升材料的電化學(xué)性能。因此，雜原子摻雜的炭納米片有望應(yīng)用于高性能鈉離子電池。傳統(tǒng)炭納米片以金屬氧化物為模板，炭化后需要酸洗去除模板，制備工藝復(fù)雜且易污染環(huán)境，制約了其大范圍應(yīng)用。本發(fā)明從煤瀝青出發(fā)，采用環(huán)境友好、易操作的鹽模板法，結(jié)合特殊炭化工藝制備了一種具有優(yōu)異儲鈉性能的雜原子摻雜硬炭納米片。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種用于鈉離子電池負(fù)極材料的瀝青基炭納米片的制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明從煤瀝青出發(fā)，采用環(huán)境友好、易操作的鹽模板法，結(jié)合特殊炭化工藝制備了一種具有優(yōu)異儲鈉性能的雜原子摻雜硬炭納米片。該方法制備過程簡單，原料來源豐富，所制備的硬炭納米片用作鈉離子電池負(fù)極具有比容量高，倍率性能好和循環(huán)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種用于鈉離子電池負(fù)極材料的瀝青基炭納米片的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、首先將無水乙醇置于反應(yīng)釜中，再將氯化鈉飽和水溶液逐滴加入無水乙醇中，蒸干溶劑制得氯化鈉模板，溫度控制在90-120℃，所述氯化鈉飽和水溶液與無水乙醇體積比為1:1-10；

步驟2、將中溫煤瀝青溶于氮甲基吡咯烷酮并置于油浴中，再向其中加入由步驟1制得的氯化鈉模板，混合均勻后，加熱蒸干氮甲基吡咯烷酮，溫度控制在200-210℃，再將上述混合物在惰性氣體保護(hù)下投放管式爐中進(jìn)行炭化處理，溫度以2～10℃/min升溫速率升至650～850℃，炭化時(shí)間控制在1～3h，所述惰性氣體選自氮?dú)饣驓鍤庵械囊环N，中溫煤瀝青與氮甲基吡咯烷酮的質(zhì)量比為1:20-50，中溫煤瀝青與氯化鈉模板的質(zhì)量比為1:1-20；

步驟3、將步驟2制得的炭化處理后樣品冷卻至室溫取出，采用去離子水洗滌氯化鈉模板，干燥得到納米片；

步驟4、將步驟3得到的納米片在氨氣和氬氣混合氣氛下投放管式爐中進(jìn)行炭化處理，溫度以2～10℃/min升溫速率升至900～1100℃，炭化時(shí)間控制在1～3h，冷卻至室溫取出，制得目標(biāo)材料瀝青基炭納米片，所述氨氣與氬氣體積流量比為1:0.25-4。

所述方法制備的瀝青基炭納米片，作為負(fù)極材料在鈉離子電池上的應(yīng)用。