[發明專利]一種碳納米片材料的制備方法及其在鈉離子電池中的應用

有效

• 申請號: 201711261632.3
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN107895797B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 張治安;尹盟;陳玉祥;賴延清;張凱
• 申請（專利權）人: 中南大學深圳研究院
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/133
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 魏娟

本發明公開了一種碳納米片材料的制備方法及其在鈉離子電池中的應用；將酚醛樹脂與KCl混合于無水乙醇或二甲基甲酰胺中形成懸濁液；取懸濁液進行水熱反應后，取產物置于過渡金屬鹽的水溶液中攪拌以吸附過渡金屬離子得前驅體；前驅體800～1200℃下碳化即得。該方法原料易得，制備工藝簡單，重復性好；制備的材料長程無序，短程有序，具有較大的層間距、豐富的孔道結構、大的比表面積和良好的導電性能，將其用于鈉離子電池，展示出高循環效率、高比容量和倍率性能，具有廣闊的工業化應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳納米片材料的制備方法及其作為鈉離子電池碳負極材料的應用，屬于鈉離子電池領域。

背景技術

伴隨煤炭、石油、天然氣等傳統能源的逐漸減少以及日益嚴峻的環境問題，小型分離移動電源需求呈現出爆炸式增長趨勢，以鋰離子電池為代表的各種可充電的化學電源越來越受到重視。隨著混合動力汽車以及電能儲存設備的需求量的增加，鋰的消耗也急劇增長。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，具有和鋰離子電池類似的脫嵌機制的鈉離子電池被認為是大規模儲能領域的理想選擇。

目前，基于材料開發成本以及應用前景的考慮，研究較多的鈉離子負極材料主要是各種碳基材料，如石墨、石墨烯、無定型碳等，碳基材料的電化學性能與各自結構有關。例如，石墨雖然具有較高的儲鋰容量，但是其儲鈉的能力很弱，普遍認為是鈉離子半徑與石墨層間距不匹配所致。而無定形碳的石墨化程度低，其結構主要是由大量無序的碳微晶交錯堆積而成，層間距大，又含有大量納米微孔，為鈉離子的儲存提供了理想的活性位點，因此無定型碳材料具有較高的可逆儲鈉容量，但是此類材料導電性差、性能循環穩定性差，容量衰減快，極大限制了其在鈉離子電池中應用。因此，如何提高碳材料作為鈉離子電池負極的比容量和長期循環穩定性能，成為限制碳材料作為鈉離子電池負極材料大規模應用的關鍵問題。

發明內容

針對現有鈉離子電池電極材料存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種短程有序、長程無序、比表面積大、反應活性位點豐富、層間距適中，具有一定石墨化程度的碳納米片的制備方法，該方法工藝簡單、重復性好、成本低廉、環境友好，易于實現工業化。

本發明的另一個目的是提供上述碳納米片材料作為負極材料應用于鈉離子電池中，所得鈉離子電池表現出高的比容量、良好倍率性能和長循環穩定性能。

本發明一種碳納米片材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一

以酚醛樹脂作為碳源溶于無水乙醇或二甲基甲酰胺中，加入KCl攪拌形成懸濁液，將懸濁液進行水熱反應，反應完后，第一次固液分離得固體顆粒A，洗滌、干燥即獲得碳納米片材料前驅體；

所述懸濁液中，酚醛樹脂與KCl的質量比為1～10:1；

所述水熱反應的反應溫度為160℃～220℃，反應時間為16h～24h；

步驟二

將步驟一所得碳納米片材料前驅體；置于過渡金屬鹽溶液中獲得混合濁液，攪拌，第二次固液分離得固體顆粒B、干燥，即得吸附過渡金屬離子的碳納米片材料前驅體；

所述碳納米片材料前驅體在過渡金屬鹽水溶液中的質量分數為1 wt％～15wt％；

步驟三

將步驟二所得吸附過渡金屬離子的碳納米片材料前驅體；在惰性氣氛保護下碳化得粗產物，所述碳化溫度為800℃～1200℃，將粗產物洗滌、干燥即得產物碳納米片材料。

本發明一種碳納米片材料的制備方法，步驟一中，所述懸濁液中酚醛樹脂的質量分數為15wt％～30wt％。優選地，所述懸濁液中酚醛樹脂的質量分數為17 wt％～25wt％。

本發明一種碳納米片材料的制備方法，步驟一中，所述碳源溶于無水乙醇中。