[發明專利]基于炭材料和瀝青的鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710904851.2
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN109148838A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 陸雅翔;容曉暉;秦東;唐堃;胡勇勝;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所;北京中科海鈉科技有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M10/054;H01M4/583;H01M4/62
• 代理公司: 北京慧誠智道知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11539
• 代理人: 李楠

本發明公開了一種基于炭材料和瀝青的鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用，所述鈉離子電池負極材料為表面包覆瀝青基有序碳結構的形貌呈不規則塊狀或豎形通道狀的復合碳材料。以炭材料和瀝青為前驅體原料，經機械混合后在空氣中熱處理，使瀝青熔化后包覆在炭材料表面，之后在惰性氣氛下使瀝青和炭材料同時發生碳化、裂解反應，得到結構為表面有序、內部無序的復合碳材料；其中，所述炭的種類包括木炭和竹炭，木炭包括白炭、黑炭、活性炭和機制炭中的一種或多種混合物，竹炭包括毛竹、淡竹、苦竹、雷竹和黃竹中的一種或多種碳化材料混合物，所述瀝青為煤焦瀝青、石油瀝青和天然瀝青中的一種或多種混合物。

技術領域

本發明涉及材料技術領域，尤其涉及一種基于炭材料和瀝青的鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著化石燃料的逐漸耗竭與環境污染的日益加劇，開發利用新的能源載體越來越受到人們的重視。二次電池作為主要的化學儲能設備，在此領域發揮著重要作用。用電力取代化石燃料成為交通工具的主要供能方式將大幅減少溫室氣體的排放。與風能、太陽能、地熱能等可再生能源配置構建改進各種電網系統將大幅提高可再生能源的使用效率。

鈉離子電池以其鈉資源豐富、分布廣泛和成本低廉等優勢彌補了鋰離子電池資源稀缺、分布不均和成本較高的局限，于近年來受到了人們的普遍關注，并得到了廣泛的研究。開發高性能的電極材料對實現鈉離子電池的商業化至關重要。截至目前，一些正極材料的研發已基本滿足應用的要求，但負極材料仍制約著鈉離子電池的實用化。

在已報道的鈉離子電池負極材料中，無定型碳材料以其相對較低的儲鈉電位，較高的儲鈉容量和良好的循環穩定性等優點而成為最具應用前景的鈉離子電池負極材料。制備無定型碳材料的前驅體可分為軟碳和硬碳前驅體，前者價格低廉，在高溫下可以完全石墨化，導電性能優良；后者價格較高，在高溫下不能完全石墨化，但其碳化后得到的碳材料儲鈉比容量和首周效率相對較高。結合兩種前驅體的優勢，將兩種前驅體復合得到的無定型碳材料有望進一步發揮優勢，促進其作為鈉離子電池負極的大規模應用。

發明內容

本發明實施例提供了一種基于炭材料和瀝青的鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用，以資源豐富、價格低廉、可再生的木炭和/或竹炭為原料，并與成本較低的常見石油工業殘渣瀝青一起作為復合原料，兼顧了高容量和優異的導電性能，提出了一種成本低廉、制備工藝簡單、無序度可調、產碳率高、適于大規模生產的復合碳材料，并將其作為負極材料應用于鈉離子二次電池中。

第一方面，本發明實施例提供了一種基于炭材料和瀝青的鈉離子電池負極材料，所述鈉離子電池負極材料為表面包覆瀝青基有序碳結構的形貌呈不規則塊狀或豎形通道狀的復合碳材料；以炭材料和瀝青為前驅體原料，經機械混合后在空氣中熱處理，使瀝青熔化后包覆在炭材料表面，之后在惰性氣氛下使瀝青和炭材料同時發生碳化、裂解制備而成；

所述炭材料包括木炭和/或竹炭；所述木炭包括白炭、黑炭、活性炭和機制炭中的一種或多種混合物，所述竹炭包括毛竹、淡竹、苦竹、雷竹和黃竹的碳化材料中的一種或多種混合物；所述瀝青為煤焦瀝青、石油瀝青和天然瀝青中的一種或多種混合物；

所述鈉離子電池負極材料具有表面有序、內部無序的結構特征；

其中，由所述木炭與瀝青復合制備得到的形貌呈不規則塊狀的復合碳材料，尺寸在2-10微米之間，d₀₀₂值在0.37-0.40nm之間，Lc值在1-4nm之間，La值在3-5nm之間；由所述木炭與瀝青復合制備得到的形貌呈豎形通道狀的復合碳材料，長度為5-30微米，管道孔徑為2-3微米，d₀₀₂值在0.36-0.38nm之間，Lc值在1-4nm之間，La值在3-5nm之間；由所述竹炭與瀝青復合制備得到的形貌呈不規則塊狀的碳材料，尺寸在2-15微米之間，d₀₀₂值在0.35-0.37nm之間，Lc值在1-4nm之間，La值在3-5nm之間。

優選的，所述炭材料與所述瀝青的質量比為1:(0.05-0.2)。