[發(fā)明專利]一種碳納米片材料及其制備和在鈉離子電池中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711221089.4
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN108011105B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張治安;尹盟;陳玉祥;賴延清;張凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054;C01B32/15
• 代理公司: 43114 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 魏娟;盛武生

本發(fā)明屬于鈉離子電池負(fù)極材料制備領(lǐng)域，具體公開了一種碳納米片材料的制備方法，包括以下步驟：步驟(1)：將包含過渡金屬鹽、聚乙二醇、堿的水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得金屬氧化物納米片；步驟(2)：將所述的金屬氧化物納米片、多巴胺和氨基酸置于Tris緩沖液中、混合、制得前驅(qū)體；將所述前驅(qū)體在900～1200℃下熱處理，隨后經(jīng)洗滌、干燥，即得。本發(fā)明還公開了所述制備方法制得的碳納米片及其應(yīng)用。本發(fā)明所述的碳納米片為二維納米材料，氮摻雜含量高，層間距大，導(dǎo)電性好，且其制備工藝簡單，重復(fù)性好，將其用于鈉離子二次電池，展示出高循環(huán)效率、高比容量和倍率性能，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米片材料的制備方法及其在鈉離子電池中的應(yīng)用，屬于鈉離子電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

伴隨煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的逐漸減少以及日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，小型分離移動電源需求呈現(xiàn)出爆炸式增長趨勢，以鋰電池為代表的各種可充電的化學(xué)電源越來越受到重視。然而，由于鋰在地殼中的元素含量相對較少，鋰的提取和回收困難，因此有必要開發(fā)新型的電池體系。

鈉離子電池是近年來快速發(fā)展的高性能儲能體系。鈉在自然界中的儲量非常豐富，約占地殼的2.74％，并且廣泛分布，有效地降低了成本。同時鈉與鋰同為第I主族元素，兩者具有相似的化學(xué)特性。因此，鈉離子電池具有和鋰離子電池類似的脫嵌機(jī)制被認(rèn)為是大規(guī)模儲能領(lǐng)域的理想選擇。

目前，在二次電池領(lǐng)域，基于材料開發(fā)成本以及應(yīng)用前景的考慮，研究較多的鈉離子負(fù)極材料主要是各種碳基材料，如石墨、石墨烯、無定型碳等，碳基材料的電化學(xué)性能與各自結(jié)構(gòu)有關(guān)。傳統(tǒng)碳基材料導(dǎo)電性差、性能循環(huán)穩(wěn)定性差，容量衰減快，極大限制了其在鈉離子電池中應(yīng)用。因此，如何提高碳材料作為鈉離子電池負(fù)極的比容量和長期循環(huán)穩(wěn)定性能，成為限制碳材料作為鈉離子電池負(fù)極材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有鈉離子電池電極材料存在的缺陷，本發(fā)明的提供一種碳納米片材料的制備方法，該方法工藝簡單、重復(fù)性好、成本低廉、環(huán)境友好，可控度高，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

本發(fā)明的第二目的在于提供所述的制備方法制得的碳納米片材料。

本發(fā)明的第三目的在于提供制得的碳納米片材料的應(yīng)用，旨在提升制得的鈉離子電池的電學(xué)性能，例如提高其比容量和長期循環(huán)穩(wěn)定性能。

一種碳納米片材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟(1)：將包含過渡金屬鹽、聚乙二醇、堿的水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得金屬氧化物納米片；

步驟(2)：將所述的金屬氧化物納米片、多巴胺和氨基酸置于Tris緩沖液中、混合制得前驅(qū)體；將所述前驅(qū)體在900～1200℃下熱處理(本發(fā)明也稱為碳化)，隨后經(jīng)洗滌、干燥，即得。

本發(fā)明中，在所述的水熱條件下有利于得到更適宜制備碳納米片的金屬氧化物納米片；隨后再配合多巴胺的自聚合性和在金屬表面易成膜的性質(zhì)，在金屬氧化物納米片的表面均勻聚合了有機(jī)碳源和氮源，無需水熱反應(yīng)過程，即可在在金屬納米片模板表面原位包覆有機(jī)層，最后再在所述的溫度下碳化，可得到含氮量、層間距可控、性能優(yōu)異的不定形多孔碳納米片材料。

本發(fā)明的制備方法，可通過控制氨基酸以及多巴胺的用量，實(shí)現(xiàn)了對制得的碳納米片材料的摻氮量的精準(zhǔn)調(diào)控。通過本發(fā)明方法，可方便調(diào)控得到的材料的摻氮量，且在所述的水熱反應(yīng)以及熱處理條件的協(xié)同，可制得層間距大，具有優(yōu)良導(dǎo)電性，豐富的官能團(tuán)，同時具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的碳納米片材料，該材料用作鈉離子電池負(fù)極材料，可表現(xiàn)出高的比容量、良好倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性能。

本發(fā)明制備方法；碳納米片中氮含量可控，制備方便，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明方法制備的碳納米片氮摻雜含量豐富，孔道交聯(lián)度高，反應(yīng)活性位點(diǎn)豐富，層間距適中；作為鈉離子電池負(fù)極材料，具有良好的電池傳輸動力學(xué)性能，氮原子的摻入顯著地提高了材料導(dǎo)電性，大的層間距為鈉離子嵌脫過程造成的體積膨脹提供了緩沖空間。